Anwendung von algebraischen Berechnungsmodellen und CFD-Ergebnissen zur Bewertung der hydraulischen Güte von Seitenkanalpumpen

Seitenkanalpumpen sind Strömungsmaschinen, die ihren maximalen Wirkungsgrad im Bereich spezi scher Drehzahlen von 3 bis 12 u/min erreichen. Dieser Bereich liegt zwischen Verdrängerpumpen (nq 12 u/min). Sie eignen sich aufgrund ihrer guten Selbstansauge- und Gasmitförderfähigkeiten zum Fördern gasbeladener oder leicht üchtiger Fluide in der Nähe des Siedepunktes. Als Nachteil der Seitenkanalmaschine erweist sich ihr niedriger maximaler Wirkungsgrad, der durch das Förderprinzip bedingt ist.Die Energieübertragung verläuft über den gesamten Umfang des Seitenkanals, während die Strömung spiralförmig zwischen Laufrad- und Seitenkanalkontur wechselt. Sind die strömungsführenden Bauteile, die hydraulischen Komponenten, nicht optimal angepasst, treten durch den mehrfachen Strömungswechsel erhebliche Verluste bei der Energieübertragung auf.Die Optimierung der strömungsführenden Bauteile und damit die Erhöhung des Wirkungsgrades ist Ziel der nachfolgend beschriebenen Untersuchungen.Der Versuch Einzelkomponenten der Seitenkanalpumpe zu optimieren zeigt, dass eine Verbesserung der Leistungsdaten nur durch genaue Kenntnis der Strömung im gesamten Förderbereich möglich ist. Die messtechnische Erfassung der Strömung jedoch ist lediglich an wenigen Stellen in der Pumpe mit vertretbarem Aufwand durchführbar. Aus diesem Grund wurden numerische Simulationen mit verschiedenen Seitenkanalhydrauliken durchgeführt. Hierfür wurde zunächst eine einfache Basishydraulik entworfen und es wurden Randbedingungen de niert, die an die Abmessungen und Betriebsbedingungen einer industriellen Maschine angepasst sind.Aufbauend auf den Ergebnissen der Strömungssimulationen wurde ein Verfahren zur Bewertung der hydraulischen Komponenten entwickelt. Dieses auf physikalischen Grundlagen und empirisch ermittelten Werten beruhende Verfahren soll die Auslegung und die Optimierung von Seitenkanalpumpen durch den gezielten Einsatz von Simulationsergebnissen erweitern.Parallel zu den Simulationen wurden die numerisch untersuchten Fluidzonen als Hydraulik für Wasserversuche aufgebaut, um die Pumpenkennlinien, die Leistungskennlinien und damit auch die Wirkungsgradkennlinien der verschiedenen Kombinationen von Einzelkomponenten (zwei Laufräder und zwei Seitenkanäle) zu ermitteln.Da das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren sehr genaue Erkenntnisse zu den Geometrievariationen liefern soll, können nur eigene hydraulische Vermessungen zum Vergleich mit den numerischen Ergebnissen eingesetzt werden. Dadurch wird versucht, die experimentell und numerisch untersuchten Fluidzonen so genau wie möglich anzunähern, um vergleichbare Ergebnisse zu erzielen. Sowohl der Prüfstand, ein Pumpenkörper und die Hydraulikteile wurden konstruiert und aufgebaut. Der Pumpenkörper ist so variabel ausgeführt, dass Tests verschiedener Laufräder und Seitenkanäle möglich sind. In den Versuchen konnten die Ein üsse der verschiedenen Geometrien auf die Leistungsdaten ermittelt werden. Die Ergebnisse zeigen neben den erwarteten Unterschieden zwischen den Varianten allerdings auch unvorhergesehene Unterschiede zwischen gemessenen und numerisch bestimmten Werten. Durch weiterführende Messungen wurden diese Abweichungen erklärt.Eine Neuauslegung von Seitenkanalpumpen auf einen de nierten Auslegungspunkt ist unter Berücksichtigung aller geometrischen Ein ussfaktoren mit den bestehenden Verfahren derzeit nicht möglich. Daher ist die Optimierung der ausgelegten Hauptabmessungen durch Einbeziehen weitere Geometrieparameter ein unverzichtbarer Schritt im Verlauf des Gesamtauslegungsprozesses von Seitenkanalpumpen. Hierbei sollte die Optimierung nicht als letzter Schritt oder als Nachrechnung einer Auslegung verstanden werden, sondern den Auslegungsprozess begleiten. Dazu ist