Spannungen und Deformationen im Kreiselpumpen-Laufrad

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Die grundsätzlichen Verläufe bleiben erhalten, es kommt allerdings zu einer leichten Absenkung des Spannungsniveaus. Insbesondere im hinteren Schaufelbereich ist eine nahezu konsistente Reduktion der Spannungen zu erkennen. Diese Modifikation scheint demnach sowohl aus strömungsmechanischer als auch aus strukturmechanischer Sicht sinnvoll zu sein. Um den direkten Einfluss der Übergangsradien zwischen Schaufeln und Radscheiben auf die Spannungen zu untersuchen, wurden vier unterschiedlich große Übergangsradien erstellt.

Ausgehend von dem kleinsten Radius zeigt sich eine konsistente Verringerung der Spannungen, wobei die Charakteristik der Kurven erhalten bleibt (Bild 5). Die Übergangsradien stellen demzufolge den Haupteinflussparameter auf die Spannungen dar. Der Grund liegt in der direkten Reduktion der Kerbwirkung durch größere Radien. Allerdings ist bei zunehmenden Übergangsradien auch mit einem Einfluss auf die Strömung zu rechnen, da sich der effektive Strömungsquerschnitt verringert.

Numerische Berechnungen helfen bei Spannungsfeldanalyse

Abschließend lässt sich zusammenfassen, dass unter Betriebsbedingungen sowohl hydrodynamische als auch strukturmechanische Lasten auf ein Kreiselpumpenlaufrad wirken. Aufgrund der Komplexität des resultierenden Spannungsfelds ist eine analytische Beschreibung nicht möglich, sodass, wie im vorliegenden Fall, auf numerische Berechnungsmethoden zurückgegriffen werden muss.

Die Analyse von zwei verschiedenen Betriebspunkten hat gezeigt, dass es zu einer deutlichen Änderung der Spannungsverteilungen im Laufrad in Abhängigkeit vom Förderstrom kommt.

Obwohl eine Steigerung des Förderstroms mit einer Reduzierung der Druckerhöhung im Laufrad einhergeht, erhöht sich trotzdem die maximalen Spannung aufgrund der komplexen Interaktion von Druck- und Fliehkräften. Der Einfluss von zwei strukturellen Geometrieparametern wurde ebenfalls untersucht. Ein Verrunden der Hinterkante ist sowohl aus strömungsmechanischer als auch aus strukturmechanischer Sicht sinnvoll.

Kenntnis des Festigkeitsbildes erlaubt gezielte Laufradgestaltung

Der Haupteinflussparameter auf die Spannungen sind die Übergangsradien zwischen Schaufel und Deck- beziehungsweise Tragscheibe, wobei jedoch mit zunehmendem Radius mit einem nicht vernachlässigbaren Einfluss auf die Strömung in den Schaufelkanälen zu rechnen ist. Durch die Kenntnis der entsprechenden Einflussparameter auf die Festigkeit kann eine gezielte Gestaltung der Laufräder erfolgen, so dass im realen Betrieb eine lange Lebensdauer, auch unter wechselnden Belastungsverhältnissen (zum Beispiel infolge Betriebspunktänderungen), gewährleistet ist.

Literatur

[1] Schneider, A., Will, B.-C. and Böhle, M., Investigation of Deformation and Stress in Impellers of Multistage Pumps by Means of Fluid-Structure Interaction Calculations, Conference on Modelling Fluid Flow (CMFF’12), The 15th International Conference on Fluid Flow Technologies, September 2012, Budapest, Hungary.

[2] Schneider, A., Will, B.-C. and Böhle, M., Numerical Analysis of Stress and Deformation in Multi-Stage Pump Impellers, International Rotating Equipment Conference 2012, Düsseldorf.

* Björn-Christian Will ist technischer Projektleiter in der Anwendungs- und Grundlagenforschung bei der KSB AG in 67227 Frankenthal. Andreas Schneider ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Strömungsmechanik , Akustik und Strömungsmaschinen, der TU Kaiserslautern, Martin Böhle ist Inhaber dieses Lehrstuhls.

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