Spannungen und Deformationen im Kreiselpumpen-Laufrad

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Im Weiteren wurde von einer monodirektionalen Kopplung zwischen Fluid und Struktur ausgegangen. Dies impliziert die Annahme, dass die Verformungen so klein sind, dass die Rückwirkungen auf die Strömung vernachlässigbar sind, und führt zu einer wesentlichen Reduktion der Berechnungszeit. Dies ist insbesondere in Anbetracht der Zielstellung der Studie, nämlich möglichst viele unterschiedliche Parameter relativ zueinander hinsichtlich ihres Einflusses auf die Festigkeit zu untersuchen, von großer Bedeutung. Aus diesem Grund beschränkt sich auch die nachfolgende Beschreibung auf statische FEM-Untersuchungen mit Druckrandbedingungen aus transienten CFD-Berechnungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Eine Vielzahl an Parametern wurde untersucht, wobei im Folgenden nur drei wichtige Einflussgrößen genannt werden:

Betriebspunkt der Pumpe;

Form der Schaufelhinterkante;

Übergangsradien zwischen Schaufel und Radscheiben.

Kerbwirkung belastet Übergang von Schaufel zu Radscheibe

Die Förderhöhe einer Kreiselpumpe ist abhängig vom Förderstrom. Bei Verringerung des geförderten Volumenstroms in Bezug auf den Nennvolumenstrom steigt die Förderhöhe an. Es kommt folglich zu einer stärkeren Druckerhöhung in der Pumpe, was den Verdacht nahelegt, dass aufgrund der höheren Druckbelastung auch größere Spannungen im Laufrad auftreten. Durch Kerbwirkung treten die maximalen Spannungen stets im Übergang zwischen Schaufel und Radscheiben auf.

Aus diesem Grund ist in Bild 3 die dimensionslose Vergleichsspannung in der Mitte der vier Übergangsradien zwischen der Schaufeldruck- und Saugseite und der vorderen beziehungsweise hinteren Radscheibe dargestellt. Zum Vergleich mit den Verhältnissen im Bestpunkt wurde der minimale Volumenstrom gewählt, der für den Betrieb der Pumpe noch zulässig ist. Dieser beträgt 30 % des Nennvolumenstroms.

Der Vergleich zwischen beiden Betriebspunkten zeigt, dass es nicht nur zu einer betragsmäßigen Änderung der Spannungen kommt, sondern sich auch die Position der maximalen Spannung ändert. Außer im Pfad „Tragscheibe-SS“ (SS = saugseitig, DS = druckseitig), sind die Spannungen im Bestpunkt höher als bei Teillast, was dem intuitiven Empfinden zunächst widerspricht. Eine Erklärung für diese Ergebnisse kann durch die teilweise Kompensation von Druck- und Fliehkräften im Laufrad gegeben werden. Weiterhin ist mit einem Einfluss der Strömungsstruktur auf die Spannungen zu rechnen, da insbesondere bei Teillast Strömungsablösung auf der Schaufelsaugseite die resultierenden Spannungen beeinflusst. Alle weiteren Ergebnisse werden für den Bestpunkt der Pumpe dargestellt.

Die Art des Übergangsradius beeinflusst die Höhe der Spannung

Die Zuschärfung der Schaufelhinterkante bei radialen und halbaxialen Laufrädern ist eine übliche Maßnahme, um die Förderhöhe leicht anzuheben und feiner justieren zu können. Um den Einfluss der Hinterkantengeometrie auf die auftretenden Spannungen im Laufrad zu untersuchen, wurden bei der Untersuchung sowohl eine verrundete als auch eine überdrehte Hinterkantenform der Schaufeln untersucht. Die CFD-Ergebnisse zeigen für die verrundete Hinterkante eine Zunahme der Arbeitszahl (das Verhältnis aus spezifischer Arbeit zum Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit am Rotoraußenradius) um circa 10 %. Bei den Spannungen ist ebenfalls ein positiver Effekt zu verzeichnen, wie in Bild 4 erkennbar ist.

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