Numerische Simulation instationärer Strömungsinstabilitäten in Radialpumpen

Das stabile Verhalten eines Pumpensystems im vorgegebenen Betriebsbereich ist im allgemeinen eine grundlegende Voraussetzung für einen dauerhaft funktionsfähigen Betrieb und hohe Betriebszeiten der Pumpe. Instabilitäten unterschiedlicher Art und Intensität können den zuverlässigen Betriebsbereich eingrenzen oder den Einsatz der Pumpe für bestimmte Anwendungen sogar unmöglich machen. Der Betrieb jenseits der Stabilitätsgrenze ist zumeist mit Wirkungsgradeinbußen, höherer dynamischer Belastung, Kavitation und erhöhter Geräuschbildung verbunden, kann aber auch zur schnellen Zerstörung der Maschine führen. Die Vermeidung von Instabilitäten ist deshalb ein vorrangiges Ziel bei der Neuentwicklung von Pumpen und erfordert detaillierte Kenntnisse über das Strömungsverhalten in Laufrad und Diffusor. Das bekannteste und technisch wichtigste Beispiel einer Instabilität ist das rotierende Abreißen der Strömung (Rotating Stall).

Ziel der Untersuchung ist die numerische Erfassung des Auslösevorgangs des Rotating Stall. Das Problem ist seit Jahren bekannt und dementsprechend existieren dazu viele Theorien. Alle Arbeiten identifizierten drei mögliche Ursachen für fortschreitenden Rotating Stall in Laufrädern. Dies sind Ablösung am Laufradaustritt, Inzidenzwinkel an der Eintrittskante der Schaufeln und Störungen des Druckfelds ausgelöst durch die Schaufelgeometrie. Letztendlich ist bis heute noch nicht vollständig geklärt, wie dieses Phänomen zustande kommt. Ergibt sich nun eine Störung in einem oder mehreren Schaufelkanälen, wird die ankommende Strömung umgelenkt. Dies bewirkt in Drehrichtung eine Verkleinerung der Inzidenz. Die Strömung legt sich wieder an. Entgegen der Drehrichtung vergrößert sich die Inzidenz. Die Strömung löst ab. Somit wandert die Ablösung im Schaufelgitter entgegen der Drehrichtung des Laufrades mit einer geringeren Umlauffrequenz als das Laufrad selbst.

Zur Verifizierung der Simulationsergebnisse wird ein Versuchsstand konstruiert (siehe Bild 1). Pumpenlaufrad und Gehäuse sind aus Plexiglas gefertigt. Dies bietet die Möglichkeit der Visualisierung der Strömung durch optische Messverfahren. Miniatur-Druckaufnehmer in den Schaufelkanälen erlauben die Bestimmung der Frequenz des Rotating Stall im Laufrad. Bild 2 zeigt die gemessene Kennlinie der Versuchspumpe. Im Vergleich dazu sind die berechneten Werte aufgetragen. Die Strömungsbilder zeigen einen Schnitt durch das Pumpenlaufrad. Dabei ist der Geschwindigkeitsbetrag dargestellt. Man erkennt, dass bei reduziertem Durchfluss die Ablösung im Kanal stetig zunimmt. Ab 60 Prozent Durchfluss ist ein Kanal geschlossen. Die anderen Kanäle sanieren sich auf dessen Kosten. Mit abnehmenden Durchfluss werden immer mehr Kanäle betroffen.

Bild 1: Versuchsaufbau	Bild 2: Kennlinie der Versuchspumpe: Vergleich Rechnung - Messung