Sulzer Technical Review Ausgabe 1/2017

Pumpen unter der Lupe in F&E

29. März 2017 | Stefan Berten

Forschung und Entwicklung (F&E) ist wie Detektivarbeit. Einer der ersten Schritte besteht darin, sämtliche Fakten zu untersuchen. In einigen Fällen erfordert dies eine genauere Prüfung mithilfe fortschrittlicher Analyseverfahren. Das F&E-Team von Sulzer hat Teillastströmungen und Druckpulsationen erforscht, um den Ursachen von Schwingungen in einer Hochenergie-Pumpe auf die Spur zu kommen.

Welche unerwünschten Faktoren können die Lebensdauer einer Pumpe verkürzen? Manchmal werden Pumpen nicht unter den Bedingungen betrieben, für die sie ausgelegt wurden. So kann sich z. B. der Prozess im Laufe eines Pumpenlebens verändern, oder die Pumpe war nicht richtig spezifiziert. Oder es wird eine Standardpumpe verwendet, die nicht optimal zu den Betriebsbedingungen passt. All diese Faktoren können dazu führen, dass eine Pumpe nicht optimal betrieben wird.

Untersuchung hydrodynamischer Phänomene

Stärkere Schwingungen, Geräusche und ein niedriger Wirkungsgrad können auf einen nicht auslegungsgemässen Pumpenbetrieb hindeuten. Bei Pumpen mit grösserer Leistungsdichte – über 1 MW pro Stufe – können diese Phänomene stark genug sein, um die mechanische Integrität der Pumpenbauteile zu beeinträchtigen. Daher hat sich das F&E-Team von Sulzer entschlossen, die hydrodynamischen Phänomene und ihre Wechselwirkung mit den Pumpenkomponenten genauer zu untersuchen. Das umfassende Forschungsprojekt wurde zum grossen Teil in Zusammenarbeit mit dem Labor für Hydraulische Maschinen der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL), einem der führenden Forschungszentren für hydraulische Maschinen weltweit, durchgeführt. Dank der Zusammenarbeit mit der renommierten Schweizer Hochschule konnten für das Projekt fortschrittlichste Messverfahren und Werkzeuge eingesetzt werden.

Fehlerursachenanalyse

Auf der Grundlage eines realen Kundenfalls analysierten die Forscher die Ursache für den Pumpenausfall. Die Analyse lieferte vier mögliche Ursachen für Schwingungen:

  • Akustische Resonanz in den stationären Volumen der Pumpen
  • Erregung des Laufrads mit seiner Eigenfrequenz und Eigenschwingungsform (Mode)
  • Ungleichmässige Druckverteilung im stationären Bereich
  • Fluid-Struktur-Kopplung mit Strömungen im Radseitenraum

Alle vier möglichen Ursachen wurden durch numerische und experimentelle Methoden genauer untersucht (Abb. 1).

Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Schritt 4
Gegenstand der Untersuchung Akustische Resonanz in stationären Volumen der Pumpe Erregung des Laufrads mit seiner Eigenfrequenz und -mode Ungleichmässige Druckverteilung im stationären Bereich Fluid-Struktur-Kopplung mit Strömung im Radseitenraum
Forschungsmethode

Hydroakustische Simulation

Frequenzmessungen

Hydroakustische Simulation

Frequenzmessungen an der Welle

Drucksensoren in der Pumpe Video mit Fadenbewegungen
Abb. 1 Untersuchungsschritte und verwendete Methoden.

Was passiert in einer Pumpe?

Bei laufender Pumpe interagiert das Druck- und Geschwindigkeitsfeld des Laufrads mit dem Druckfeld, das die Diffusorschaufeln umgibt. Diese Wechselwirkung ist die Hauptursache für hydraulisch induzierte Schwingungen. Diese Schwingungen wurden im Rahmen des Projekts an der EPFL gemessen und analysiert. Die hydrodynamische Wechselwirkung zwischen den rotierenden Laufradschaufeln und den stationären Diffusorschaufeln kann in eine Reihe von Kosinusfunktionen zerlegt werden (Abb. 2). Diese Methode wird als Fourier-Transformation bezeichnet. Sie beschreibt die Summation verschiedener Druckmoden bei unterschiedlichen Frequenzen.

Abb. 2 Druckpulsationen am Laufrad und deren Zerlegung.

Abb. 3, Video: Kohärente Druckschwankungen am Laufrad- austritt als Ursache für Schwingungen im System.

Stimmen diese Druckmoden mit strukturellen oder akustischen Eigenfrequenzen überein, kann es zu starken Erregungen und übermässigen Schwingungen kommen. Unter nicht auslegungsgemässen Bedingungen können diese periodischen Druckschwankungen durch andere Einflüsse überlagert werden. Nichtperiodische Druckunregelmässigkeiten werden normalerweise durch Strömungsablösung ausgelöst und können zu zusätzlichen mechanischen Belastungen von stationären und rotierenden Pumpenkomponenten führen. Die Schwankung in den gemessenen Drücken zeigt, dass die hydrodynamische Wechselwirkung zwischen dem Laufrad und dem stationären Diffusor zu veränderlichen Kräften führt, die wiederum Schwingungen im System verursachen. Das Video zeigt die sich periodisch verändernden Druckschwankungen am Laufradaustritt (Abb. 3, Video).

Verwendete Untersuchungsmethoden

Die Ergebnisse von Simulationen und experimentellen Untersuchungen tragen nicht nur zur Verbesserung der Pumpenentwicklung bei, sondern helfen dem F&E-Team auch, zukünftige Simulationen mit realen Messwerten zu optimieren. Für die hier beschriebenen Versuche wurden über 90 Sensoren im Inneren des Pumpenmodells installiert.

Numerische Strömungssimulationen

Bei numerischen Strömungssimulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) werden numerische Analysen und Algorithmen zur Lösung und Analyse von Problemen im Zusammenhang mit Fluidströmungen eingesetzt. F&E-Ingenieure verwenden diese Berechnungen, um das hydraulische Leistungsverhalten von Pumpen zu simulieren und vorherzusagen. Im vorliegenden Fall wurden umfassende transiente CFD-Simulationen der betrachteten Pumpenstufen unter auslegungsgemässen und nicht auslegungsgemässen Bedingungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Simulationen werden dazu genutzt, die experimentellen, hydroakustischen und mechanischen Untersuchungen festzulegen. Sie zeigen kritische Stellen auf und beeinflussen die Wahl der Messpunkte.

Hydroakustische Simulation

In Zusammenarbeit mit der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne EPFL erstellte Sulzer ein eindimensionales Modell der letzten Pumpenstufe für eine hydroakustische Simulation. Die Ergebnisse der CFD-Simulation wurden in ein spezielles Softwarepaket der EPFL übertragen. Durch die Simulation kann das hydroakustische Verhalten der stationären Strömungskanäle für verschiedene Bereiche getrennt analysiert werden. Für eine Optimierung der Entwicklung ist es von Vorteil, wenn das akustische Verhalten des Diffusors, der Austrittskammer und des Druckstutzens im Einzelnen bekannt ist. Eine getrennte Analyse des Verhaltens mit experimentellen Methoden ist nahezu unmöglich.

Experimentelle Untersuchungen

Für die Untersuchungen fertigte die F&E-Abteilung von Sulzer zwei verschiedene einstufige Modellpumpen an. Eine der Pumpen stellte die letzte Stufe einer Hochenergie-Pumpe (Abb. 4) unter realen Betriebsbedingungen dar. Für diesen Teil der Untersuchung wurde ein Prüfkreislauf konzipiert, der in der Lage ist, Drücken von bis zu 100 bar standzuhalten. Die Pumpe besass eine maximale Drehzahl von 5 600 min-1 und eine maximale Leistungsaufnahme von 1,2 MW. Die rotierenden und stationären Komponenten wurden mit zahlreichen Sensoren versehen, darunter 17 dynamische Drucksensoren, acht Dehnungsmessstreifen und drei Mini-Beschleunigungssensoren am Laufrad und 64 dynamische Drucksensoren im stationären Teil der Pumpe (Abb. 5). Ausserdem wurden zwei Abstandsfühler zur Messung von Wellenschwingungen an der Antriebs- und der Nichtantriebsseite installiert. Die Signale vom Laufrad wurden mithilfe eines brandneuen, an der EPFL entwickelten Datenerfassungssystems erfasst, aufbereitet und digitalisiert. Dieses Datenerfassungssystem mit 32 Kanälen rotierte zusammen mit dem Pumpenschaft. Die Erfassung der Daten aus den stationären und rotierenden Bereichen erfolgte synchron.

In einer zweiten Phase der Untersuchung kam ein Prüfkreislauf mit einer herkömmlichen Konfiguration zum Einsatz. Dazu baute Sulzer eine spezielle Pumpe (Abb. 6) mit einem Sichtfenster auf die Diffusorkanäle, die es den Ingenieuren ermöglichte, die Teillast-Strömungsphänomene im Diffusor zu beobachten. Die Versuche konzentrierten sich schwerpunktmässig auf die Druckschwankungen, hydraulischen Kräfte und Strömungsmuster im stationären Bereich. Das Video (Abb. 7) zeigt, wie sich speziell hierfür installierte Fäden bei einem Richtungswechsel der Flüssigkeit in den Diffusorkanälen der Pumpe hin und her bewegen. Anhand der Bewegung der Fäden konnten die Ingenieure erkennen, dass hier eine Ursache der Pumpenschwingungen lag.

Optimierung zukünftiger Lösungen

Die Spezialisten für Finite-Elemente-Analysen (FEA) bei Sulzer übertrugen sämtliche Ergebnisse in eine dimensionslose Form. Die Werte werden als Randbedingungen für die FEA und die Beurteilung der hochzyklischen Ermüdung genutzt. Darüber hinaus wurden die Ergebnis-se der CFD-Simulation direkt mit einer FEA-Simulation gekoppelt. Diese Simulationen bestätigten die Messergebnisse. Simulationen, die durch reale Messdaten validiert werden, helfen bei der Optimierung zukünftiger Pumpenentwicklungen von Sulzer.

Ausgezeichnete Forschung und Erkenntnisse

Die in Zusammenarbeit mit einer führenden Hochschule durchgeführte Grundlagenforschung an Hochenergie-Pumpen vertiefte nicht nur das Wissen der F&E- Ingenieure, sondern unterstützt auch die Produktentwicklung, z. B. durch verbesserte Design- und Berechnungsverfahren, was wiederum zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Sulzer-Produkten beiträgt. Darüber hinaus konnte das Design so weit verbessert werden, dass die Pumpen energieeffizienter und ohne störende Schwingungen in einem breiteren Anwendungsbereich eingesetzt werden können. Die wissenschaftlichen Ergebnisse des Projekts wurden im Rahmen einer Dissertation dokumentiert. Ausserdem führte das Projekt zu mehreren Konferenzbeiträgen, von denen einer mit dem Donald-Julius-Groen-Preis der britischen Institution of  Mechanical Engineers (IMechE) ausgezeichnet wurde.


Sulzer Technical Review

Nadia Qaud

Editor-in-Chief


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