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Experimentelle und numerische Untersuchung von Kreiselpumpen radialer Bauart mit teiloffenem Laufrad bei der Förderung von Flüssig-/Gasgemischen auch mit hoher Gasbeladung

Projektlaufzeit: 2016-2018
Fördergeber: Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA)

Pumpen werden üblicherweise für die Förderung von einphasigen Fluiden ausgelegt. Im alltäglichen Einsatz müssen diese allerdings häufig aufgrund der Vermeidung aufwändiger und teurer Trennprozesse auch Fluidgemische zum Beispiel bestehend aus Gas und Flüssigkeit fördern. Bei der Förderung von gasbeladenen Strömungen mit radialen Kreiselpumpen kann es jedoch bereits ab einem geringen Gasvolumengehalt der Strömung von ca. 2% zu einer Beeinträchtigung des Förderverhaltens kommen, was sich bei steigender Einlassgasgehalten bis hin zum völligen Fördereinbruchs fortsetzen kann. Das Einsetzen, die Stärke und die Ausprägung dieser Beeinträchtigung hängt sowohl von der spezifischen Drehzahl, konstruktiven Gegebenheiten sowie dem Betriebspunkt der Pumpe als auch der Gasblasenstruktur und weiteren anlagenspezifischen Parametern ab. Eine rechnerische Erfassung dieses Vorgangs ist bisher nicht möglich, sodass die Einsatzgrenzen von Kreiselpumpen für Mehrphasenströmungen mit dem aktuellen Stand der Technik numerisch nicht vorhersagbar sind.
Im laufenden VDMA-Eigenmittelprojekt (VDMA: Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.) wird eine 3D-Strömungssimulationsmethode (Strömungslöser ANSYS CFX) eingesetzt und zur Anwendung auf Kreiselpumpen erweitert. Ziel des Projektes ist es, erstmals eine korrekte Vorhersage des Betriebsverhaltens der Kreiselpumpe auch bei hohen Einlassgasgehalten zu ermöglichen.
Das zu entwickelnde Simulationsmodell wird in Voruntersuchungen an einer verzögerten Zweiphasenströmung in einem horizontal stehenden Diffusor getestet und anschließend auf die Versuchspumpe übertragen. Zur experimentellen Validierung des numerischen Modells werden zeitgleich Detailmessungen an transparenten Strömungskanälen sowie an einer transparent ausgeführten Kreiselpumpe an der Otto-von-Guericke-Universität in Magdeburg durchgeführt (siehe Mansour et. al. (2018a) und Mansour et al. (2018b)), dessen Daten dem HSM zur Verfügung stehen.

Mansour, Michael; Kováts, Péter; Wunderlich, Bernd; Thévenin, Dominique (2018a): Experimental investigations of a two-phase gas/liquid flow in a diverging horizontal channel. In: Experimental Thermal and Fluid Science 93, S. 210–217. DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2017.12.033
Mansour, Michael; Wunderlich, Bernd; Thévenin, Dominique (2018b): Experimental Study Of Two-Phase Air/Water Flow In A Centrifugal Pump Working With A Closed Or A Semi-Open Impeller. In: Proceedings of ASME Turbo Expo 2018: Turbomachinery Technical Conference and Exposition.
 

Ansprechpartner: Markus Hundshagen

<b>Abbildung 1:</b> Vergleich der sich ausbildenden Luftkavität (GVF=1) im horizontalen Diffusor in der Messung (Mansour et al (2019a)) und der Simulation
Lupe
Abbildung 1: Vergleich der sich ausbildenden Luftkavität (GVF=1) im horizontalen Diffusor in der Messung (Mansour et al (2019a)) und der Simulation