Strömungsverhältnisse in Pumpen und Turbinen
Erstmalig qualitative Erfassung von wirbelhaften Geschwindigkeitsfeldern mit hoher zeitlicher Auflösung
Viele Bereiche der Energie- und Verfahrenstechnik sind eng mit strömungstechnischen Problemen verbunden. Neben Reaktoren und Rohrleitungen betrifft dies vor allem auch die Strömungsmaschinen. Zu diesen zählen sowohl Pumpen und Verdichter als auch Turbinen. Um diese Maschinen zu optimieren, sind Kenntnisse über deren Strömungsverhältnisse erforderlich, insbesondere ist die räumlich und zeitlich veränderliche Geschwindigkeitsverteilung der Fluide in den Maschinen von Interesse. In den zurückliegenden Jahren haben bei solchen Messungen laseroptische Messverfahren, die die Strömung nicht beeinflussen, immer mehr an Bedeutung gewonnen.
Eines dieser Messverfahren ist die Particle Image Velocimetry (PIV). Bei diesem Verfahren wird in kurzem Zeitabstand ein Strömungsfeld zweimal belichtet. Als Lichtquelle wird hierbei ein Laser verwendet, dessen Licht von Partikeln, die der Strömung beigemengt werden, gestreut wird bzw. die Partikel zu Fluoreszenz anregt. Aus der Verschiebung der Partikel zwischen den beiden Bildern kann die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung innerhalb der Aufnahmefläche berechnet werden. Ein Vorteil des Verfahrens besteht in der Berechnung der zeitgleichen Geschwindigkeit in vielen Punkten (typischerweise mehrere Tausend) der Messebene. Eine Notwendigkeit, die sich aus dem Verfahren ergibt, ist die optische Zugänglichkeit der Strömung. Am Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik der Universität Magdeburg, Leitung Prof. Dominique Thévenin, ist dafür in Zusammenarbeit mit dem Braunschweiger Pfleiderer Institut für Strömungsmaschinen (Prof. Dr. Günter Kosyna) bereits vor mehreren Jahren eine Pumpe konstruiert worden, um mit Hilfe der Particle Image Velocimetry die Strömungsverhältnisse im Laufrad einer radialen Kreiselpumpe bei verschiedenen Schaufelkonfigurationen zu untersuchen.
Insbesondere ist das Teillastverhalten von radialen Kreiselpumpen interessant, da in Teillast durch Fehlanströmung der strömungsführenden Teile Ablösungen der Grenzschicht auftreten. Diese Ablösungen verursachen in den Schaufelkanälen Wirbel, was dazu führen kann, dass der Kanal "verstopft", d.h. nicht mehr fördert. Durch die Rotation des Laufrades und die Interaktion der einzelnen Schaufelkanäle wandert die Ablösung durch die Kanäle des Laufrades. Die Schaufeln werden dabei starken wechselnden Kräften ausgesetzt, die aus der Änderung der Strömungsführung folgen. Liegt die Änderungsfrequenz der Kräfte im Resonanzbereich der Konstruktion, kann es bis zur Zerstörung der Schaufeln kommen. Da diese Änderungen einen starken instationären Charakter aufweisen, ist zu deren Untersuchung eine hohe zeitliche Auflösung der Messdaten erforderlich. Diese hohe zeitliche Auflösung stand bisher nur für punktuelle Messverfahren zur Verfügung. Die zeitgleiche Änderung des gesamten Strömungsfeldes konnte daher nicht erfasst werden.
Durch Fortschritte im Bereich der Laser- und Kameratechnik ist es heutzutage möglich geworden, erheblich höhere Bildwiederholraten – bis zu einigen kHz – als bisher – bis 30 Hz – zu erzielen und somit PIV-Messungen zur Untersuchung instationärer Vorgänge in der Strömungstechnik heranzuziehen. Ein solches Messsystem stand dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik im Rahmen der Diplomarbeit von Nico Krause, unter der Anleitung von Dr. Elemer Pap und Dr. Katharina Zähringer zur Verfügung. In der Diplomarbeit konnte so erstmals bei Teillast das Geschwindigkeitsfeld in jedem Schaufelkanal während einer Umdrehung des Laufrades gemessen werden. Das heißt, in einem drehenden Laufrad wurde bei ortsfester Kamerapositionierung das Geschwindigkeitsfeld jedes Schaufelkanals in der selben Lage gemessen.
Als Ergebnis der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Ablösung auf der Saugseite im Eintrittsbereich des Kanals ihren Ursprung hat. Die Analyse unterschiedlicher Betriebszustände zeigte, dass sich die Ablösung in einem Laufradkanal ausbildet und mit zunehmender Drosselung des geförderten Volumenstromes vergrößert. Wird die Ablösezelle so groß, dass der Kanal kaum noch durchströmt wird, bildet sich im entgegen der Drehrichtung gelegenen Nachbarkanal eine neue Ablösezelle aus. Dies ermöglicht dann die erneute Durchströmung des zuvor blockierten Kanals.
In weiteren Untersuchungen sollen nun die Wirbelgebiete genauer untersucht werden. Hierbei gilt es zum einen die Interaktion der einzelnen Schaufelkanäle und zum anderen die Wirbelstrukturen selbst genauer zu untersuchen, um die Entstehung und die Rotationsgeschwindigkeit der Wirbel im Laufrad vorhersagen zu können.