Hydroakustik kavitierender Pumpenströmungen
Projektbeschreibung
Numerische und experimentelle Untersuchung des hydroakustischen Übertragungsverhaltens kavitierender Strömungen zur Bewertung der Pulsationsanregung von Rohrleitungssystemen durch Kreiselpumpen.
Kurztitel: Hydroakustik kavitierender Pumpenströmungen
Projektlaufzeit: 01.12.2022 – 31.05.2026
Fördergeber: BMWE
IGF-Vorhaben-Nr.: 01IF22709N
Der Schlussbericht des Vorhabens kann über das Forschungskuratorium Maschinenbau (FKM) e. V. bezogen werden (Postanschrift: Lyoner Str. 18, 60528 Frankfurt am Main, E-Mail: info@fkm-net.de, Tel.: +49 69 6603 1345).
Kreiselpumpen verursachen konstruktionsbedingt durch die Rotor-Stator-Interaktion Pulsationen, die sich in das angrenzende Rohrleitungssystem fortpflanzen und dort im Resonanzfall erhebliche Schäden anrichten können. Präventive Pulsationsstudien werden aufgrund fehlender Kenntnis des komplexen hydroakustischen Übertragungs- und Anregungsverhaltens von Kreiselpumpen nicht durchgeführt. Ad-hoc-Maßnahmen wie z.B. Pulsationsdämpfer werden daher empirisch ausgelegt und sind aufgrund des immer dynamischeren Betriebs von Kreiselpumpen unzuverlässig und unwirtschaftlich. In dem abgeschlossenen Vorhaben wurde daher eine Hydroakustische Methode zur Bestimmung der Übertragungseigenschaften von kavitierenden hydraulischen Komponenten entwickelt. Weiterhin wurde ein eindimensionales Modell zur Abbildung der Übertragungseigenschaften kavitierender Strömungen entwickelt, das in 1D-Simulationssoftware implementiert und für Pulsationsstudien genutzt werden kann. Dabei lag der Schwerpunkt auf schwach kavitierenden Strömungen, da bereits eine geringe Blasenbeladung der Förderflüssigkeit das hydroakustische Verhalten maßgeblich beeinflusst und in der industriellen Praxis häufig auftritt. Um die Einflüsse von Kavitation zunächst außerhalb des rotierenden Systems der Kreiselpumpe untersuchen zu können, erfolgte vorwiegend die Methodenentwicklung an einem stationären CLE-Hydroprofil (CLE = Circular Leading Edge), siehe Abb. 1.
Die TU Dortmund (TUD) entwickelte dazu federführend eine Auswertemethode (Hydroakustische Methode) basierend auf der Schallfelddekomposition sowie der Vierpol- beziehungsweise Streumatrixbestimmung. Die Validierung erfolgte am umströmten Hydroprofil. Ein eigens aufgebauter Prüfstand (siehe Abb. 2(a)) ermöglichte die Messung des hydroakustischen Übertragungsverhaltens kavitierender Strömungen, wobei Kavitationsvolumen und Kavitationslänge optisch mit zwei Hochgeschwindigkeitskameras quantifiziert wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die akustische Wirkung der Kavitation im Wesentlichen durch die räumliche Ausdehnung und die lokale Nachgiebigkeit des Kavitationsgebiets sowie dessen Dämpfung bestimmt wird. Mit sinkender Kavitationszahl verschieben sich die charakteristischen Frequenzen der Reflexions- und Transmissionsfaktoren systematisch. Neben der Kavitation erwies sich die Fluid-Struktur-Interaktion als wesentlicher Einfluss auf die hydroakustische Wellenausbreitung. Die Nachgiebigkeit der umgebenden Struktur verändert lokal die effektive Schallgeschwindigkeit, sowohl in den Messleitungen als auch im Versuchsträger beziehungsweise in der Pumpe. Dieser Einfluss wurde im 1D-Modell über lokal angepasste effektive Schallgeschwindigkeiten berücksichtigt und anhand von 3D-Finite-Elemente-Simulationen validiert. Das entwickelte 1D-Modell gibt das gemessene kavitationsabhängige Übertragungsverhalten konsistent wieder. Abschließend wurde die Methodik auf eine Kreiselpumpe übertragen und die kavitationsbedingte Veränderung ihres hydroakustischen Übertragungsverhaltens experimentell untersucht und mit einem reduzierten 1D-Modell beschrieben.
An der Ruhr-Universität Bochum (RUB) wurde eine 3D-CFD-Methode entwickelt und aufgrund der hohen Informationsdichte der Simulationsergebnisse komplementär zu den Experimenten und Simulationen an der TUD eingesetzt. Dabei wurde mit einem gekoppelten 3D/1D-CFD-Verfahren die Gesamtanlage mit der Hydroprofilteststrecke im 3D-Bereich und dem angeschlossenen Rohrleitungssystem im 1D-Bereich beschrieben (siehe Abb. 2(b)). Dadurch konnte die experimentell eingesetzte Hydroakustische Methode zur Bestimmung des Übertragungsverhaltens auch auf die CFD-Ergebnisse angewendet werden. Für hohe Systemdrücke wurde sowohl für Schicht- als auch für Wolkenkavitation das gemessene Übertragungsverhalten sehr gut reproduziert. Für geringe Systemdrücke war die Erweiterung der CFD-Methode um eine Luftphase zur Berücksichtigung von Pseudokavitation erforderlich. Dazu wurde ein neuer Ansatz zur Luftausgasungsmodellierung auf Basis des diffusiven Stoffaustauschs an der Phasengrenze entwickelt.
Der Schwerpunkt des Vorhabens lag auf der Beschreibung des hydroakustischen Übertragungsverhaltens. In einem angestrebten Folgevorhaben soll die Methodik für stärker kavitierende Kreiselpumpenströmungen weiterentwickelt und um das Anregungsverhalten sowie den nicht-lokalen Effekt kavitationsinduzierter Ausgasung erweitert werden.
Ansprechpartner
Kooperation / Förderung
Das Forschungsvorhaben wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemein-schaftsforschung (IGF-Nr. 01IF22709N) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
