Numerical and Experimental Investigation of Secondary Flow and Loss Generation in Inducers
Final Report Abstract
In dem hier durchgeführten Projekt konnten zwei Arbeitshypothesen beantwortet werden. Zum einen ist die Strömung an der Nabe eines Inducers abgelöst. Dies verursacht eine ausgeprägte Minderung im Druckaufbau im Bereich der Nabe und eine ungleichmäßige Verteilung der axialen Geschwindigkeitskomponente entlang des Radius. Diese Effekte sind auch nach dem Austritt in der Auslaufstrecke des Inducers zu erkennen. Da einem Inducer zumeist ein Pumpenlaufrad nachgeschaltet wird, ist diese Erkenntnis für eine Steigerung der Effektivität einer Pumpenstufe signifikant. Durch eine über den Radius gleichmäßigere Verteilung des Drucks und der axialen Geschwindigkeitskomponente kann die Anströmung des nachgeschalteten Laufrades verbessert werden. In der zweiten Arbeitshypothese ist die axiale Baulänge der Inducer untersucht worden. Die zur Zeit verwendeten Gestaltungsrichtlinien zur Dimensionierung der axialen Baulänge eines Inducers resultieren in einer zu großen axialen Länge. Es konnte gezeigt werden, dass die Inducer um 25% gekürzt werden können, ohne dass der maximale Druck reduziert wird. Durch die Minderung der axialen Baulänge ist es möglich, Platz und Material bei der Konstruktion sowie Fertigung zu sparen. Beides geht mit einer Reduktion der Kosten und des Gewichts einher. Die Frage bzgl. des Kavitationsverhaltens muss allerdings noch untersucht werden. Der Einfluss der Schaufelvorderkante lässt sich wie folgt zusammenfassen. Die Form (gepeilt, gerade) Schaufelvorderkante und die axiale Baulänge haben keinen signifikanten Einfluss auf die Ablösung im Bereich der Nabe. Auch der essenzielle Bereich am Austritt des Inducers zeigt keinen Einfluss auf die Strömungszustände durch die Vorderkante und die Baulänge. Bei der axialen Baulänge kann ebenfalls kein Einfluss der Schaufelvorderkante festgestellt werden. In beiden Fällen wird der maximale Druck am Auslass durch die Kürzung um 25% nicht reduziert. Im Folgenden ist der Einfluss des Betriebspunktes auf die Ablösung und die Baulänge zusammengefasst. In Richtung Teillast nehmen die Gebiete mit Ablösung an der Nabe zu und der Bereich mit dominierendem Druckaufbau verschiebt sich in Richtung Schaufelspitze. Unabhängig zum Betriebspunkt wird der Druck am Austritt durch das Kürzen der axialen Baulänge nicht reduziert. Alle Ergebnisse basieren auf CFD Untersuchungen. Die numerischen Daten sind durch aufwendige experimentelle Untersuchungen validiert. So ist eine Plausibilität der numerischen Ergebnisse gewährleistet. Durch die feinen Netzstrukturen und den y+ Wert von < 1 war es nicht möglich, stabile Simulationen bei einer Lieferzahl von φ ≤ 0,85 • φdp zu erhalten. Der Einfluss von Effekten bei stärkerer Teillast konnte in diesem Vorhaben numerisch nicht erfasst werden. Effekte in Teillast bei kleineren Lieferzahlen sind in einem weiteren Schritt gezielt zu untersuchen und als eigenständige und detaillierte Forschungsfrage zu sehen. Es konnte gezeigt werden, dass das Verfahren von Li zur schnellen Abschätzung der Kennlinie in diesem Fall bedingt geeignet ist. Die durch Experimente ermittelten Kennlinien werden unterschätzt und speziell in Teillast weichen die Singularitätenmethode und das Experiment stark ab. Das von Li verwendete Verlustmodell ist in einem weiteren Schritt zu ergänzen, um unter anderem die Verluste resultierend aus den Ablösungen mit zu berücksichtigen. Somit kann eventuell eine bessere Vorhersage durch die schnell arbeitende SM getätigt werden. Alle Untersuchungen erfolgen unter Ausschluss von Kavitation. In einem weiteren Schritt ist es nun notwendig, um die Ergebnisse anwenden zu können, den Einfluss der Kavitation zu untersuchen. Die getätigten Untersuchungen bilden hierzu eine sehr gut geeignete Basis. Speziell die Male Baulänge bedarf einer zusätzlichen Berücksichtigung der Kavitation. Es muss sichergestellt sein, dass durch die Reduktion der Schaufelpassage die Gasgebiete der Kavitation bis zum Auslass des Inducers abgebaut sind. Nur so kann eine Funktion der gesamten Pumpenstufe sichergestellt werden.
Publications
- „Influence of Turbulence Models in Transient Simulations of Inducers Under Steady Operation". Paper number: 4640. Proceedings of the ASME-JSME-KSME 2019 Joint Fluids Engineering Conference AJKFLUIDS2019 July 28-August 1, 2019, San Francisco , CA, USA
B. Gwiasda, M. Mohr, M. Böhle, D. Herrmann-Verspagen
(See online at https://doi.org/10.1115/AJKFluids2019-4640) - „Investigations of inducers operating with high rotational Speed" Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, 141 (4), 2019
B. Gwiasda, M. Mohr, M. Böhle
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4041730) - „A Simple Analytical Modelfor Hedd Estimation of Non-Cavitating I~tducers with Arbitrary Shape" Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME
M. Mohr, B. Gwiasda, M. Böhle
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4046188)
