Numerische und experimentelle Untersuchung des Einflusses des Partikelerosionsschaden auf die Kennlinie einer Kreiselpumpe

Aufgrund der langen Betriebszeit nimmt der Wirkungsgrad von Kreiselpumpen allmählich ab. Ein abnehmender Wirkungsgrad kann durch verschiedene Verschleißprozesse verursacht werden, so dass eine genaue Kenntnis dieser Prozesse und deren Einfluss für ein reibungsloses Betriebsverhalten von Vorteil sein kann.

Deshalb wird die durch Feststoffpartikel induzierte Erosion in einer Kreiselpumpe experimentell und mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik untersucht. Ziel ist die numerische Vorhersage der auftretenden Bereiche des erosiven Verschleißes und insbesondere deren Einfluss auf die Leistungskurven der Pumpe in Form einer Zeitraffersimulation des Lebenszyklus der Pumpe

Als grundlegende Untersuchung wird der Einfluss des erosiven Verschleißes durch Feststoffpartikel experimentell untersucht. Dazu wurde ein geschlossener Prüfstand, wie in Abbildung 1 dargestellt, mit allen Dosiereinrichtungen für einen Standard-Pumpenleistungstest nach DIN EN ISO 9906 aufgebaut.

Bei der Förderung von Schlamm arbeitet die Maschine in ihrem besten Wirkungsgradpunkt mit einer Suspension aus Wasser und reinem Korund. Die Feststoffkonzentration beträgt ein Volumenprozent. Die Leistungskurve der Pumpe wird mit reinem Wasser in festgelegten Zeitintervallen gemessen.

Die Simulationen werden für instationäre Bedingungen und die gesamte Geometrie der Pumpe einschließlich aller Seitenkammern, Dichtungsspalte und Ausgleichsbohrungen durchgeführt. Da die Partikelkonzentration relativ gering ist und die Strömungsbedingungen in der Pumpe von beträchtlichen Partikelbeschleunigungen ausgehen, werden die Simulationen mit der Lagrangeschen Methode zur Partikelverfolgung unter Anwendung einer Einwegkopplung berechnet.

Die durch Feststoffpartikel induzierte Erosion wird mit verschiedenen Erosionsmodellen vorhergesagt, z. B. Finnie, Grant-Tabakoff und einem eigenen Modell. Da die vorhergesagte Erosion keinen Einfluss auf die hydraulische Kontur hat, werden zusätzliche Routinen entwickelt die eine dynamische Netzanpassung in Abhängigkeit der vorhergesagten Materialabtragung, also der Schädigung, implementieren.

Die experimentellen Ergebnisse in Abbildung 2 zeigen eine vergleichbare Verteilung und vor allem Lage des erodierten Materials wie in den Erosionsmodellen vorhergesagt. Die einseitige Schädigung an der Entleerungsschraube ist deutlich zu erkennen. Auch die ungleichmäßige Schädigung der Spiralnase ist in den in Abbildung 3 dargestellten experimentellen und numerischen Ergebnissen erkennbar.

Darüber hinaus zeigen die experimentellen Untersuchungen den Einfluss des Erosionsverschleißes des Partikelerosionsschaden auf die Leistungskurve der Pumpe, wie in Abbildung 4 dargestellt.  Um das Gesamtziel zu erreichen, besteht die zentrale Herausforderung darin, die zeitabhängigen Variationen der Leistungskurve in einer überschaubaren Zeitspanne numerisch zu simulieren.