CFD verhilft zu einem besseren Verständnis der bei Pumpen auftretenden Kavitation

Schäden vermeiden

Isoflächen hoher Wasserdampfanteile bei einer Pumpe mit Betriebspunkt bei einsetzender Kavitation (Berechnung mit Fluent) Vergleich der experimentell ermittelten Pumpenkennlinien mit den Fluent-Ergebnissen
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Kavitation ist einer der größten Herausforderungen für Pumpenhersteller, weil sie häufig sowohl Komponentenschäden als auch Vibrationen hervorruft. Kavitation findet statt, wenn der lokale Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit fällt und es zum Verdampfen der Flüssigkeit kommt. Die Blasen können die Strömung stören oder kollabieren, so dass sich Stoßwellen in der Flüssigkeit ausbreiten, die in kurzer Zeit die umgebenden Bauteile massiv schädigen.

Tunç Deger, Vansan Makina Sanayi

Einer der Parameter, mit denen sich die Kavitation in einer Pumpe charakterisieren lässt, ist der NPSH-Wert. Sein Betrag mißt die Differenz zwischen dem absoluten Druck und dem Dampfdruck der Flüssigkeit. Es gibt zwei NPSH-Varianten. Wenn der absolute Druck am Pumpeneinlass gemessen wird, bezeichnet man den Betrag als NPSHA (Net Positive Suction Head Available). Wenn er mit dem minimalen NPSH korrespondiert, bei dem die Pumpe ohne Kavitation arbeitet, wird dieser Wert auch als NPSHR (Net Positive Suction Head Required) bezeichnet. Falls NPSHA niedriger ist als NPSHR, kommt es zu Kavitation. Man unterscheidet verschiedene Kavitationstypen, je nach Kavitationszone, Geräusch, Schadbild oder Druckfluktuation. NPSH-Angaben werden beispielsweise genutzt, um die Sumpftiefe in mehrstufigen vertikalen Turbopumpen festzulegen. Mit wachsender Anzahl von Stufen kann die Förderhöhe gesteigert werden. Kavitation, die einen 3 %igen Abfall in der Förderhöhe (NPSH3 genannt) verursacht, ist ein gängiges Auslegungskriterium für vertikal installierte Turbopumpen.
In einer Studie wurde eine vertikale Turbopumpe mit einem Volumenstrom von 95 l/s und einer Förderhöhe von 13,5 m bei 1450 min-1 mit der CFD-Software Fluent von Ansys simuliert, um den Wert für den NPSHR zu ermitteln. Ein Netz mit ca. 1,85 Mio. Zellen wurde mit Gambit generiert. Die Berechnung erfolgte mit einem Kavitationsmodell mit Wasser als Primärphase und mit Wasserdampf als Sekundärphase. Für die Turbulenzmodellierung wurde das k-e-Modell eingesetzt und das MRF-Modell (Multiple Reference Frames) erfasste die Bewegung des Pumpenrotors. Mehrere Simulationen wurden mit Massenstromeinlass und Druckauslass durchgeführt, um Pumpenkennlinien zu ermitteln. Diese spezielle Auswahl der Einlassbedingungen fixiert den Volumenstrom und erlaubt es, den Einlassdruck und die Druckerhöhung je Stufe vorherzusagen. Die berechneten Drücke wurden dann mit dem Stufendruck an der Kavitationsgrenze beim gleichen Volumenstrom verglichen. Eine Serie von Simulationen war nötig, um NPSHR zu ermitteln, also den Einlassdruck, der einen kavitationsfreien Betrieb gewährleistet. Dazu wurde der Einlassdruck solange variiert, bis die Pumpe auf einem Druckniveau 3 % unterhalb der Kavitationsgrenze, d. h. im kavitationsgefährdeten Bereich betrieben wurde. An diesem Betriebspunkt findet möglicherweise leichte Kavitation statt, aber nicht genug, um den Betrieb der Pumpe ernsthaft zu beeinträchtigen. Die erste Simulation wurde bei maximalem Einlassdruck (hoher NPSH) durchgeführt und das Fördervolumen aufgenommen. Für diesen Volumenstrom wurde anschließend der Einlassdruck solange reduziert, bis die Förderhöhe der Stufe um 3 % abfiel. Die Reibungsverluste am Einlauf und der Dampfdruck bei Betriebstemperatur wurden zum Einlassdruck addiert und daraus der NPSHR-Wert berechnet. Bei weiterer Reduktion des Einlassdrucks bildete sich eine massive Kavitationszone, und ein schlagartiger Abfall von Wirkungsgrad und Leistung trat auf. Die NPHSR-Kennlinie für einen 3 %igen Abfall der Förderhöhe wurde ermittelt, indem dieselbe Methode für verschiedene Volumenströme wiederholt wurde. Kennlinien für Leistung, Förderhöhe und Wirkungsgrad wurden auf die gleiche Weise ermittelt und mit den Messergebnissen verglichen. Alle berechneten Kennlinien stimmen gut mit den realen Werten überein, besonders in der Nähe des Auslegungspunktes. Diese Ergebnisse belegen, dass NPSHR-Werte mit der CFD-Software genauso gut bestimmt werden können, wie mit traditionellen Messungen.
cav 507

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