Anwendung von algebraischen Berechnungsmodellen und CFD-Ergebnissen zur Bewertung der hydraulischen

Seitenkanalpumpen sind Strömungsmaschinen, die ihren maximalen Wirkungsgrad im Bereich spezi scher Drehzahlen von 3 bis 12 u/min erreichen. Dieser Bereich liegt zwischen Verdrängerpumpen (nq 12 u/min). Sie eignen sich aufgrund ihrer guten Selbstansauge- und Gasmitförderfähigkeiten zum Fördern gasbeladener oder leicht üchtiger Fluide in der Nähe des Siedepunktes. Als Nachteil der Seitenkanalmaschine erweist sich ihr niedriger maximaler Wirkungsgrad, der durch das Förderprinzip bedingt ist. Die Energieübertragung verläuft über den gesamten Umfang des Seitenkanals, während die Strömung spiralförmig zwischen Laufrad- und Seitenkanalkontur wechselt. Sind die strömungsführenden Bauteile, die hydraulischen Komponenten, nicht optimal angepasst, treten durch den mehrfachen Strömungswechsel erhebliche Verluste bei der Energieübertragung auf. Die Optimierung der strömungsführenden Bauteile und damit die Erhöhung des Wirkungsgrades ist Ziel der nachfolgend beschriebenen Untersuchungen. Der Versuch Einzelkomponenten der Seitenkanalpumpe zu optimieren zeigt, dass eine Verbesserung der Leistungsdaten nur durch genaue Kenntnis der Strömung im gesamten Förderbereich möglich ist. Die messtechnische Erfassung der Strömung jedoch ist lediglich an wenigen Stellen in der Pumpe mit vertretbarem Aufwand durchführbar. Aus diesem Grund wurden numerische Simulationen mit verschiedenen Seitenkanalhydrauliken durchgeführt. Hierfür wurde zunächst eine einfache Basishydraulik entworfen und es wurden Randbedingungen de niert, die an die Abmessungen und Betriebsbedingungen einer industriellen Maschine angepasst sind. Aufbauend auf den Ergebnissen der Strömungssimulationen wurde ein Verfahren zur Bewertung der hydraulischen Komponenten entwickelt. Dieses auf physikalischen Grundlagen und empirisch ermittelten Werten beruhende Verfahren soll die Auslegung und die Optimierung von Seitenkanalpumpen durch den gezielten Einsatz von Simulationsergebnissen erweitern. Parallel zu den Simulationen wurden die numerisch untersuchten Fluidzonen als Hydraulik für Wasserversuche aufgebaut, um die Pumpenkennlinien, die Leistungskennlinien und damit auch die Wirkungsgradkennlinien der verschiedenen Kombinationen von Einzelkomponenten (zwei Laufräder und zwei Seitenkanäle) zu ermitteln. Da das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren sehr genaue Erkenntnisse zu den Geometrievariationen liefern soll, können nur eigene hydraulische Vermessungen zum Vergleich mit den numerischen Ergebnissen eingesetzt werden. Dadurch wird versucht, die experimentell und numerisch untersuchten Fluidzonen so genau wie möglich anzunähern, um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. Sowohl der Prüfstand, ein Pumpenkörper und die Hydraulikteile wurden konstruiert und aufgebaut. Der Pumpenkörper ist so variabel ausgeführt, dass Tests verschiedener Laufräder und Seitenkanäle möglich sind. In den Versuchen konnten die Ein üsse der verschiedenen Geometrien auf die Leistungsdaten ermittelt werden. Die Ergebnisse zeigen neben den erwarteten Unterschieden zwischen den Varianten allerdings auch unvorhergesehene Unterschiede zwischen gemessenen und numerisch bestimmten Werten. Durch weiterführende Messungen wurden diese Abweichungen erklärt. Eine Neuauslegung von Seitenkanalpumpen auf einen de nierten Auslegungspunkt ist unter Berücksichtigung aller geometrischen Ein ussfaktoren mit den bestehenden Verfahren derzeit nicht möglich. Daher ist die Optimierung der ausgelegten Hauptabmessungen durch Einbeziehen weitere Geometrieparameter ein unverzichtbarer Schritt im Verlauf des Gesamtauslegungsprozesses von Seitenkanalpumpen. Hierbei sollte die Optimierung nicht als letzter Schritt oder als Nachrechnung einer Auslegung verstanden werden, sondern den Auslegungsprozess begleiten. Dazu ist in der vorliegenden Arbeit ein mögliches Optimierungsverfahren auf Basis der numerischen Strömungssimulation entwickelt worden. Mit diesem Verfahren können empirisch ermittelte Parameter zur Auslegung der Hauptabmessungen von Seitenkanalmaschinen durch Simulationsergebnisse ersetzt werden. Ein weiterer Vorteil der Strömungssimulation ergibt sich damit, dass vor dem Konstruktionsprozess der Betriebspunkt und der Gesamtwirkungsgrad der ausgelegten Hydraulik bestimmt werden kann. Durch weitere Auswertungen der Simulationsergebnisse lassen sich auÿerdem die Komponenten ermitteln, die den Wirkungsgrad der Maschine maÿgeblich beein ussen. Damit wird eine gezielte Auslegung durch Optimierung der strömungsführenden Geometrien möglich. Es wurden sowohl Strömungssimulationen als auch experimentelle Untersuchungen an Seitenkanalpumpen durchgeführt. In den Simulationen wurden Modellgeometrien von zwei Laufrad- und zwei Seitenkanalvarianten untersucht. Der Ein uss der Gestaltung auf die E zienz der hydraulischen Komponenten konnte sowohl in den ermittelten Kennwerten als auch anhand der Untersuchung der Strömung an zuvor de nierten Stellen nachgewiesen werden. In den Experimenten wurden die zwei Laufradgeometrien, die auch numerisch untersucht wurden, miteinander verglichen. Die experimentell ermittelten Ergebnisgröÿen wie die Förderhöhenkennlinien und die Leistungskennlinien weisen Unterschiede zu den numerische berechneten Werten auf. Daher wurden die Untersuchungen zunächst darauf konzentriert, diese Unterschiede im Detail aufzuklären und zu begründen. Nicht alle Abweichungen der ermittelten Ergebnisse konnten durch zusätzliche Simulation oder Experimente erklärt werden. Entsprechende Untersuchungen bleiben weiterführenden Arbeiten vorbehalten. Hierzu ist beispielsweise ein Versuchsaufbau nötig, der ein axiales Einstellen des Laufrades ermöglicht. In den durchgeführten Versuchen mit unterschiedlichen axialen Spalten wurde die Abhängigkeit der Leistungsdaten von der Laufradposition aufgezeigt. Die Optimierung von Hydraulikkomponenten ist mit dem vorgestellten Berechnungsverfahren basierend auf Simulationsergebnissen möglich. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Veränderungen an den Komponenten konnten qualitativ sowohl in den berechneten als auch in den gemessenen Kennlinien bestätigt werden. Abweichungen zwischen den Ergebnissen von Simulation und Experiment sind aufgezeigt. Sie lassen sich aber soweit sie nicht in der vorliegenden Arbeit geklärt wurden durch Erfahrungswerte und Ergebnisse anderer Autoren begründen. Die Arbeit kommt damit dem Ziel, bestehende Auslegungsverfahren für Seitenkanalpumpen mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation zu optimieren und die Prozesse der Energieübertragung und Verlustentstehung in der Maschine besser zu verstehen, einen Schritt näher. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden parallel zu den hier beschriebenen Untersuchungen in einem Forschungsprojekt zur Entwicklung einer Hydraulik mit verbessertem Wirkungsgrad angewendet ([5]). Experimente konnten während dieser Entwicklung durch Simulationen ersetzt werden. Der Nachweis, dass die Abweichungen zwischen Simulationsmodell und Realgeometrie erheblichen Ein uss auf die ermittelten Leistungsdaten haben, ist dabei von besonderer Bedeutung.