Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Numerische Vorhersage des zeitlichen Verlaufes kavitationsbedingter Erosionsschäden zur Erhöhung der Lastflexibilität von Kraftwerkspumpen und Pumpen hoher Leistungsdichte bei gleichzeitig hoher Lebensdauer

Durch die Integration erneuerbarer Energiequellen in den Energiemix und die resultierenden Fluktuationen bei der Einspeisung kommt zunehmend auch Dampfkraftprozessen die Aufgabe der verzögerungsfreien Deckung der Residuallast zu. Diese Flexibilisierung des Prozesses erfordert zunehmend einen mit den Klimaschutzzielen konformen Betrieb der Kesselspeisepumpen in Off-Design Betriebspunkten und damit einhergehend eine steigende Gefahr von kavitationserosionsbedingten Schäden der Pumpe. Dieser Herausforderung soll durch die Entwicklung neuer Rechenverfahren begegnet werden, die den zeitlichen Fortschritt der kavitationserosionsbedingten Schäden berechnen und so bereits im Entwurfsstadium der Pumpe und der Kraftwerksanlage eine Prognose der Lebensdauer oder im Umkehrschluss der zulässigen Lastkollektive oder notwendigen Wartungsintervalle ermöglichen. Das Rechenverfahren koppelt recheneffiziente CFD-Methoden und Erosionsmodelle, die auf in KMU verfügbare Hardware-Ressourcen portiert werden. Die nachhaltige Nutzung der Software in der durch den Mittelstand und KMU geprägten Pumpenindustrie wird durch einen Methodentransfer bereits zur Laufzeit des Vorhabens sichergestellt. Neben der lediglich exemplarisch in den Vordergrund gestellten Leitanwendung „Kraftswerkspumpe“ ist nach Projektende aufgrund der Verwendung der lizenzkostenfreien Software OpenFOAM eine Diffusion der Rechenverfahrens auch in angrenzende Industriezweige und eine Anwendung auf alle Pumpen mit hoher Leistungsdichte zu erwarten, die z. B. für die Öl- und Gas-, Wasserver- und -entsorgung oder in der Chemie und Verfahrenstechnik eingesetzt werden und aufgrund der zunehmenden Prozessflexibilisierung potentiell erosionsgefährdet sind. Das Vorhaben liefert Grundlagenerkenntnisse, die die Firmen in Form anwendbarer Softwaretools zur Produktauslegung nutzen können. Es ist davon auszugehen, dass damit die Wettbewerbsfähigkeit der gesamten Produktions- und Anwenderkette gestärkt werden kann, was den KMU zugutekommt. Der potentielle Nutzerkreis ist sehr groß.

Ergebniszusammenfassung:

Mit der entwickelten "Transienten-" und "Stationären Erosionsmethode" ist sowohl die Bestimmung des räumlichen

Auftretens, als auch des zeitlichen Verlaufes der Kavitationserosion möglich. Mit diesen Methoden sind Einordnungen von konstruktiven Varianten, unterschiedlichen Werkstoffen sowie Betriebsbedingungen bzgl. Lebensdauer und Wartungsintervall ermöglicht worden. Die erarbeiteten Methoden bestehen i.W. aus einem Last- und Materialmodell und sind derart modular gestaltet, dass sie an kein bestimmtes CFD-Verfahren gebunden sind und an alle weitern in der Industrie eingesetzten Verfahren gekoppelt werden können.

Dieses zentrale erreichte Forschungsergebnis versetzt die Pumpenhersteller erstmals in die Lage, eine belastbare Prognose der Lebensdauer ihrer Pumpen z.B. bei einem vom Kraftwerksbetreiber angenommenen Fahrzyklus des Dampfkraftprozesses abzugeben.

Diese Kompetenz ermöglicht den deutschen Pumpenherstellern eine Diversifizierung ihrer bisher i. d. R. bzgl. Kavitation sehr konservativ ausgelegten Produkte z.B. in Richtung Energieeffizienz. Hersteller, die eine durch Simulationen untermauerte Prognose der Lebensdauer in Abhängigkeit von dem erwarteten dynamischen Lastkollektiv der Pumpe abgeben können, haben einen Wettbewerbsvorteil. Wenngleich Kavitationserosion in Kraftwerkspumpen aufgrund der sehr hohen Leistungsdichte von Kesselspeisepumpen ein besonders schwerwiegendes Problem darstellt und diese Pumpenanwendung daher exemplarisch in den Vordergrund gestellt wird, sind alle Pumpen mit hoher Leistungsdichte potentiell von Kavitationserosion betroffen. Eine Anwendung des Rechenverfahrens z.B. im Bereich des Öl- und Gastransports, der Wasserver und -entsorgung sowie Chemie- und Verfahrenstechnik ist ebenfalls zu erwarten, da auch in diesen Bereichen Pumpen hoher Leistungsdichte eingesetzt werden und eine zunehmende Flexibilisierung und Dynamisierung der Prozesse und damit eine Erhöhung des Schadenspotentials durch Kavitationserosion zu beobachten ist.