Hydroakustik kavitierender Pumpenströmungen

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Projektbeschreibung - Ansprechpartner - Kooperation / Förderung

Forschungsthema: Numerische und experimentelle Untersuchung des hydroakustischen Übertragungsverhaltens kavitierender Strömungen zur Bewertung der Pulsationsanregung von Rohrleitungssystemen durch Kreiselpumpen.

Hintergrund: Kreiselpumpen sind weit verbreitet in der Industrie und verursachen durch Rotor-Stator-Interaktion Pulsationen, die im Resonanzfall Schäden im angrenzenden Rohrleitungssystem anrichten können. Im Gegensatz zu Verdrängermaschinen werden präventive Pulsationsstudien bei Kreiselpumpen selten durchgeführt, und Maßnahmen zur Unterdrückung der Pulsationen, werden kaum eingesetzt.

Zielsetzung: Im Rahmen des Projekts wird das Ziel verfolgt, eine erweiterte Hydroakustische Methode und ein mathematisches Modell zu entwickeln, um die hydroakustischen Eigenschaften von Kreiselpumpen, insbesondere bei schwach kavitierenden Strömungen, präzise zu charakterisieren. Das übergeordnete Ziel ist die Reduzierung von möglichen Pulsationsschäden im Rohrleitungssystem durch Bereitstellung von einfachen Modellen die eine Untersuchung von Übertragungs- und Anregungsverhalten ermöglichen.

Das Projekt kombiniert experimentelle und simulative Ansätze zur Entwicklung einer Methode zur hydroakustischen Charakterisierung des Übertragungs- und Anregungsverhaltens von Pumpen unter schwach kavitierenden Betriebsbedingungen. Es wird in Kooperation mit der RU Bochum durchgeführt, deren Hauptaugenmerk auf der 3D-CFD-Simulation liegt.

Teilbereiche der TU Dortmund:

1. Entwicklung einer erweiterten Hydroakustischen Methode: Erfassung und Analyse der Übertragungs- und Anregungseigenschaften, einschließlich der Effekte schwach kavitierender Strömungen und Ausgasungen. Basis hierfür bilden Stromauf und -abwärts gemessene dynamische Drücke, mit denen die Schallfelder innerhalb der Rohrleitungen dekomponiert werden.
2. 1D-Modellierung der Hydroakustik: Anpassung bestehender und Entwicklung neuer Modelle im Frequenz- und Zeitbereich unter Einbeziehung von Kavitationseffekten und Übertragungseigenschaften kavitierender Strömungsgebiete. Grundlage bilden hierbei die Akustic Transmission Line Methode und das 1D-Charakteristikenverfahren.
3. Experimentelle Untersuchungen: Verwendung des CLE-Hydroprofils zur Analyse des Übertragungsverhaltens und Validierung des Modells im ruhenden und kavitierenden Zustand. Erweiterung der Untersuchungen und Adaption der Erkenntnisse auf eine einstufige Kreiselpumpe. (Abbildung 1)
4. Simulative Untersuchungen: Durchführung von 3D-Akustik-FEM-Simulationen unter Berücksichtigung der FSI, um den Einfluss der umgebenden Struktur auf die Schallgeschwindigkeit und das Übertragungsverhalten des Versuchsträgers (Abbildung 2) im ruhenden Zustand zu bestimmen.

Durch die Ergebnisse des Projekts und möglichen Folgeprojekten sollen Industrieunternehmen langfristig in die Lage versetzt werden, das Design und den Betrieb von Kreiselpumpen zu optimieren und somit die Zuverlässigkeit ihrer Anlagen zu erhöhen. Dies trägt langfristig zur Reduzierung von Betriebskosten und zur Förderung nachhaltiger Industriepraktiken bei.

Dieses Projekt wird durch den VDMA: "Arbeitskreis Hydroakustik in Kreiselpumpensystemen" und die AIF gefördert und findet in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Hydraulische Strömungsmaschinen der Ruhr Universität Bochum statt.