Zur numerischen Berechnung des Betriebsverhaltens von Kreiselpumpen bei hydroabrasiver Erosion

Abstract

Der energieeffiziente Betrieb privater und industrieller Anlagen gewinnt seit geraumer Zeit stetig an Bedeutung. In den vergangenen Jahren wurde daher in vielen Bereichen vermehrte Entwicklungsarbeit zur Detektion und Ausschöpfung von energetischen Optimierungspotentialen geleistet. Im industriellen Umfeld haben Kreiselpumpen aufgrund ihrer Vielseitigkeit seit jeher einen merklichen Anteil am industriellen Stromverbrauch, wodurch sich gleichermaßen ein ebenso nicht unbeachtliches Einsparpotential aufzeigt. Energetische Optimierungspotentiale ergeben sich für Kreiselpumpen vorrangig aufgrund ihres Alters, einer überdimensionierten Ausführung oder aufgrund eines verschleißbedingten Wirkungsgradabfalls. Im Zuge der Digitalisierung wurden hierzu bereits viele Systeme zur Vorhersage des Betriebszustands von Kreiselpumpen entwickelt und vertrieben. Die aktuell verfügbaren Systeme beschränken sich jedoch größtenteils auf die Vorhersage von Systemausfällen, sodass eine Aussage über eventuelle Effizienzeinbußen aufgrund von Verschleiß bisher nicht möglich ist. Vor diesem Hintergrund zeigt diese Arbeit eine Möglichkeit auf, den Einfluss hydroabrasiver Erosion auf das Betriebsverhalten und somit die Energieeffizienz von Kreiselpumpen mithilfe numerischer Strömungsfeldsimulation zu berechnen. Die so erhaltenen Daten können damit letztendlich in Verbindung mit den handelsüblichen Zustandsüberwachungen zu einer verbesserten Überwachung auch hinsichtlich der Energieeffizienz industrieller Kreiselpumpen beitragen. Der entwickelte Ansatz beruht in seinen Grundsätzen auf dem üblichem Vorgehen zur numerischen Betrachtung von Erosionserscheinungen. Hierzu zählen die Simulation einer zweiphasigen Strömung und die Vorhersage der verschleißbedingten Schäden mithilfe von Erosionsmodellen. Da die üblichen Erosionsmodelle in ihrer kommerziellen Form jedoch keinen Einfluss auf die hydraulische Kontur nehmen, wird das Simulationsmodell durch eine verschleißabhängige Verformbarkeit des Berechnungsgitters ergänzt. Zur Steigerung der Vorhersagegenauigkeit wird des Weiteren ein höherwertiges numerisches Verfahren zur Berechnung der im Lagrange-Verfahren betrachteten Partikelbahnen implementiert. Die Aussagefähigkeit der entwickelten Verschleißmodellierung wird anhand einer handelsüblichen Wassernormpumpe untersucht. Die numerischen Betrachtungen werden zur Validierung durch zusätzlich durchgeführte experimentelle Untersuchungen gestützt. Die Ergebnisse lassen eine weitreichend gute Übereinstimmung der numerischen und experimentellen Ergebnisse erkennen. In detaillierteren Auswertungen können zudem die Ursachen des verschleißbedingten Wirkungsgradabfalls erläutert und für verschiedene Szenarien Effizienzeinbußen deklariert werden.