Kennlinienstabilisierung axialer Kreiselpumpen mit passiven Methoden
Final Report Abstract
Die aktuelle Untersuchung baut auf den Ergebnissen des vorangegangenen DFG-Projektes auf. Gegenstand der Untersuchung sind zwei Methoden um die Kennlinie axialer Kreiselpumpen zu stabilisieren. Bei der ersten Methode handelt es sich um Casing Treatment. Dabei befinden sich axiale Nuten unmittelbar stromauf des Rotors im Pumpengehäuse. Bei der zweiten Methode handelt es sich um eine sogenannte Nebenauslassdüse. Die aktuelle Untersuchung fand an einem Prüfstand statt, in der die Axialpumpe vertikal eingebaut ist und das Fördermedium aus einer Einlaufkammer ansaugt. Dies entspricht der typischen Einbauweise diesen Pumpentyps als Kühlwasserpumpe in Kraftwerken. Neu war nun, dass diese Einlaufkammer geschlossen werden konnte, um so Untersuchungen bei variablen Anlagenvordrücken zu realisieren. Die Kammer wurde innerhalb des Bewilligungszeitraumes gebaut. Sie besteht aus verzinktem Stahl in dem sich drei Fenster aus Acrylglas befinden, um optische Messungen/ Beobachtungen durchführen zu können. Von dem genuteten Gehäuse ist bekannt, dass es nicht nur die Kennlinie stabilisieren, sondern auch die unter Kavitationsbedingungen im Kenliniensattel auftretenden starken Schwingungen unterdrücken kann und damit zu einer Betriebsbereichserweiterung von Axialpumpen führt. In der aktuellen Untersuchung soll geklärt werden, wie sich die Nebenauslassdüse unter Kavitationsbedingungen verhält. Zwar sind die gemessenen NPSH3-Werte bei der Nebenauslassdüse im Vergleich zum genuteten und ungenuteten Gehäuse in einem weiten Betriebsbereich nach Stallbeginn am höchsten, jedoch deuten Kavitationsaufnahmen am Laufrad und Schwingungsmessungen nicht zu einer erhöhten Kavitationsneigung bei Verwendung der Nebenauslassdüse hin. Bei diesem Prüfstandsaufbau führen die Nuten nicht zu einer Verbesserung des Schwingungsverhaltens. Dagegen zeigt sich, dass die Schwingungen bei der Nebenauslassdüse in einem weiten Betriebsbereich nach Stallbeginn sehr gering sind. Der Grund dafür ist, dass das rückströmende Fluid durch den Spalt zwischen den zwei Düsen abgeführt wird. Dadurch bildet sich in der inneren Düse, im Gegensatz zu den beiden anderen Einlaufvarianten, keine Scherschicht zwischen der Zuströmung und dem Rezirkulationsfluid aus. Es wird damit eine Wirbelbildung in diesem Bereich, die nach Gülich breitbandige Schwingungsanregungen unterhalb des Schaufeltones zur Folge hat, vermieden. Bei der Nebenauslassdüse ist es möglich durch eine Veränderung der Säulenhöhe den Spaltbeginn zu verschieben. Messungen zeigen, dass kleine Änderungen des Abstandes Laufrad-Ringspaltbeginn nur einen geringen Einfluss auf die Kennlinie haben. Dies hat einen praktischen Nutzen bei Laufrädern mit verstellbaren Schaufelanstellwinkeln und bietet somit einen Vorteil gegenüber dem genuteten Gehäuse. Die instationären Messungen bestätigen die Vermutung, dass der Stallbeginn hier nicht schlagartig einsetzt, sondern, dass es auch nach Stallbeginn kurzzeitig wieder zu stabilen Zuständen kommen kann. Grund dafür könnte die ungleichförmige Zuströmung sein. Um belastbare Aussagen machen zu können, sind weitere Untersuchungen nötig. Ausblick: • Der Prüfstandsaufbau und die Stabilisierungsmethoden sollten zunächst dahingehend verbessert werden, dass eine vollständige Stabilisierung ermöglicht wird. • Durchführen von weiteren detaillierten Kavitationsuntersuchungen. • Die numerischen Ergebnisse der Arbeitsgruppe von Prof. Benra sollten mit einfließen und eventuell zu einer optimierten Geometrie der Nebenauslassdüse führen. • Die Nebenauslassdüse könnte aus Acrylglas gefertigt werden, um eine Strömungsbeobachtung im Düsenspalt zu ermöglichen. • Detailliertere instationäre Messungen, PIV-Messungen und High-Speed-Aufnahmen könnten weitere Erkenntnisse über die Strömungsvorgänge bei Stallbeginn und in Teillast liefern. • Da besonders die rotierenden Phänomene zu hohen Schwingungsanregungen führen, sollten Untersuchungen durchgeführt werden, wie sich die einzelnen Gehäusevariationen im Hinblick auf die rotierenden Phänomene verhalten. • Es sollte überprüft werden, ob die Vorteile der Nebenauslassdüse gegenüber dem Nutengehäuse (geringere Schwingungsanregung, Variation der Säulenhöhe) allgemeingültig sind. Weitere Untersuchungen der Nebenauslassdüse, sowie weitere Veröffentlichungen können zu einem industriellen Einsatz dieser Methode führen.
