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Pumpen

Dem Verschleiß von Pumpenlaufrädern auf der Spur

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Modellierung

Um das Auftreten des Verschleißes an besonders betroffenen Stellen des Laufrades besser zu verstehen, wurden in Zusammenarbeit mit Instituten der Universität Stuttgart CFD (Computational Fluid Dynamics)-Simulationen durchgeführt, die Einblicke in den Strömungszustand innerhalb der Pumpe ermöglichen. Hierfür wurde ein vollständiges Volumenmodell einer Pumpe erstellt.

Die zur Berechnung des instationären Strömungszustands nötige Rechenleistung wurde durch das Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart (HLRS) zur Verfügung gestellt. Es wurden für mehrere Betriebspunkte die Strömung und die Druckverhältnisse innerhalb der Pumpe detailliert analysiert. Diese Simulationen dienen zudem als Grundlage für die Berechnung der Partikel/Wand-Interaktion an den besonders verschleißbeanspruchten Stellen auf dem Laufrad und im Gehäuse.

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Dazu wurde in einem Postprocessing-Schritt eine Particle-Tracking-Methode auf der Grundlage der Lösung der Euler-Lagrangeschen-Bewegungsgleichungen für jedes einzelne Partikel angewendet, um den Partikeltransport innerhalb der Strömung zu beschreiben. Neben den Partikelbahnen im Medium wurde auch deren Auftreffgeschwindigkeit und -winkel zur Flächennormalen bei Wandberührung errechnet. Diese Wand-Interaktion wurde für jeden Partikel kumuliert in einer benutzerdefinierten Variablen gespeichert. Die Auswertung der Daten erfolgt durch die Bewertung der Auftreffgeschwindigkeiten und -winkel durch die Einführung eines Verschleißmodells, das neben den aus der Partikeltransportsimulation stammenden Daten auch Materialkennwerte berücksichtigt. Es wurde somit eine Schnittstelle zwischen dem Partikeltransport in der Strömung und der Auswertung durch ein Verschleißmodell geschaffen.

Mit der Kopplung beider Modelle (CFD und Verschleißberechnung) ist es gelungen, ein Werkzeug zur konstruktiven Auslegung von Pumpenlaufrädern zu schaffen, die zum Transport von partikelbelandenen Medien eingesetzt werden. Neben der strömungstechnischen Überprüfung bestehender bzw. neuer Ausführungen von Pumpenlaufrädern wird der Feststofftransport im gleichen Simulationsschritt mit berücksichtigt. Durch die Interaktion der Partikel mit der Pumpenwand können Rückschlüsse auf örtliche Verschleißschwerpunkte und das Verhalten verschiedener Basismaterialien bzw. Oberflächenbeschichtungen und -modifikationen hinsichtlich Verschleißwiderstand gezogen werden. Über das Durchlaufen mehrerer Optimierungsschleifen können mit diesem Simulationswerkzeug im Rechner vorab verschleißarme und strömungstechnisch verbesserte Pumpen konstruiert und der bisher dazu notwendige experimentelle Aufwand deutlich reduziert werden.

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