Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentelle und numerische Untersuchung der Interaktion von Pumpe und Anlage mit besonderer Berücksichtigung der Klärung und Vermeidung von Schäden durch Kavitationsrückbildungsstöße am Beispiel von oszillierenden Verdrängerpumpen

Druckpulsationen und Druckstöße können Bauteile von Pumpensystemen zu Schwingungen und Resonanzen anregen und Funktionsstörungen, Lärm und Schäden verursachen. Bei verfügbaren Strömungsberechnungsverfahren, die für präventive Pulsationsstudien der Anlage eingesetzt werden, wird die oszillierende Verdrängerpumpe (OVP) vereinfacht als Pulsationsgenerator betrachtet. Rückwirkungen der Anlage auf die Kavitation werden nicht betrachtet, und die Entstehung und Fortpflanzung von Kavitationsrückbildungsstößen wird vernachlässigt. Trotz konservativer Auslegung kommt es daher immer wieder zu Schäden an Pumpe und Anlage, die im Zusammenhang mit Kavitation und den spezifischen Eigenschaften der Anlage stehen.

Durch numerische und empirische Analysen sollen Wirkzusammenhänge zwischen Kavitation in der Pumpe, Pulsations- und Druckstoßfortpflanzung in der Anlage und die strömungsmechanische Strukturschwingungsanregung aufgedeckt und existierende Strömungsberechnungsprogramme und Auslegungsrichtlinien verbessert werden. Besondere Berücksichtigung findet die Rückwirkung der ggf. durch das Rohrleitungssystem verstärkten Druck- und Förderstrompulsationen auf die Kavitation und das dynamische Anregungs- und Übertragungsverhalten der Pumpe. Mit verbesserten Berechnungsverfahren sind eine passgenaue Anlagenintegration der Pumpe, eine treffsichere Schadensprognose und die Vermeidung unnötig hoher Sicherheitszuschläge möglich. Die Umsetzung in KMU erfolgt sowohl durch die Anwendung der überarbeiteten Auslegungsrichtlinien als auch die Verfügbarkeit verbesserter Berechnungsverfahren.

Sowohl Pumpenhersteller als auch Anlagenbetreiber profitieren durch geringere Investitions- und Betriebskosten bei gleichzeitig geringerem Schadensrisiko der Pumpe und Anlage. Es wird eine große Strahlkraft der Ergebnisse auf andere Fluidenergiemaschinen wie z.B. Kreiselpumpen erwartet.

Ergebniszusammenfassung:

- Erkenntnisgewinn durch Experimente und Simulationen über den Einfluss des saug- und druckseitigen Leitungsaufbaus auf den Betrieb von oszillierenden Verdrängerpumpen mit spezieller Berücksichtigung der Kavitationsentstehung und Rückbildung. Es ist davon auszugehen, dass Unternehmen der Pumpen- und Anlagenbranche das neu erworbene Wissen für die zukünftige Auslegung von Pumpensystemen nutzen.

- Weiterentwicklung eines gekoppelten 3D-1D Simulationsverfahren für die vollständige Berechnung ganzer Pumpenanlagen im ein- und zweiphasigen Betrieb. Ermöglicht detaillierte Vorhersage der Kavitationsdynamik in der Pumpe. Durch den Übergang auf ein druckbasiertes implizites Verfahren konnte die Rechenzeiten erheblich reduziert werden, sodass auch eine Anwendung in KMU realistisch ist.

- Entwicklung eines reduzierten 1D-1D Simulationsverfahren mit dem sich schnell die Einflüsse von Anlagenparametern auf den Pumpenbetrieb nachvollziehen lassen. Dieses Verfahren steht zur Verfügung und kann auf Anfrage transferiert werden.