Kreiselpumpen Spannungen und Deformationen im Kreiselpumpen-Laufrad

Auf die Laufräder von Kreiselpumpen wirken sowohl Kräfte durch den Fluiddruck als auch Fliehkräfte durch die Rotationsbewegung. Um zuverlässige Aussagen über die Verformungs- und Spannungsfelder zu erhalten, hat ein Forschungsprojekt diese Kräfte mittels numerischer Simulationen untersucht.

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KSB SE & Co. KGaA

Die strukturelle Auslegung von Pumpen erfordert die Kenntnis von Verformungen und Spannungen in jedem einzelnen Bauteil. Bei unzureichender Auslegung kann es im Betrieb zur Schädigung einzelner Komponenten kommen, die im schlimmsten Fall zum Versagen der Maschine oder auch des gesamten Prozesses führen kann. Andererseits führt eine zu konservative Auslegung zu erhöhtem Materialeinsatz, was höhere Kosten und eine Senkung der Leistungsdichte (das Verhältnis aus Leistung zu Materialeinsatz) nach sich zieht.

Belastungseffekte mit einfachenAnsätzen nicht mehr erfassbar

In Kreiselpumpen werden die ruhenden Maschinenkomponenten nur durch den Fluiddruck belastet, während im Laufrad zusätzlich, aufgrund der Rotation, eine Fliehkraftbelastung vorliegt. Die Überlagerung von Fluiddruck- und Fliehkräften führt zu komplexen Verformungs- und Spannungsfeldern, die mit einfachen analytischen Ansätzen nicht erfassbar sind.

Um dennoch zuverlässige Aussagen zu erhalten, ist der Einsatz von rechnergestützten Simulationswerkzeugen unabdingbar. Die Kopplung von fluid- und strukturmechanischer Simulation wird als FSI (Fluid-Struktur-Interaktion) bezeichnet und ermöglicht bei Pumpen die Berechnung der Spannungen im Laufrad unter Einwirkung von fluidbedingten Druckkräften sowie der rotationsinduzierten Fliehkraft.

Die vorliegende Studie hatte sich als Ziel gesteckt, das grundsätzliche Verständnis der Spannungszustände inklusive der daraus resultierenden Verformungszustände in einem Kreiselpumpen-Laufrad einer mehrstufigen Pumpe zu verbessern. Das untersuchte Laufrad ist in Bild 2 und die dazugehörige Pumpe in Bild 1 dargestellt. Es handelt sich um eine mehrstufige Maschine der HG-Baureihe, die als Kesselspeisepumpe in Kraftwerken eingesetzt wird.

Strömungssimulation wird mit gemessener Kennlinie verglichen

Die Untersuchung wurde an einer repräsentativen Stufe der Maschine durchgeführt. Diese bestand aus einem Laufrad mit nachfolgendem Leitrad und einer Rückführeinrichtung, um die Strömung der nächsten Stufe zuzuführen. Zur Berechnung der Drücke wurde eine numerische Strömungssimulation der kompletten Stufe durchgeführt, die mit der gemessenen Kennlinie verglichen wurde. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung, sodass, in Verbindung mit der damit einhergehenden Analyse der Strömungsverhältnisse, eine realistische Modellierung der Strömung angenommen werden kann.

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