Optimierung einer Pitot-Pumpe und deren Adaption zur Öl-Wasser-Trennung

Abstract

Pumpen sind ein ständiger Begleiter in unserem alltäglichen Leben - manchmal ist ihr Wirken klar sichtbar, häufig arbeiten sie jedoch versteckt im Hintergrund. Durch den stetigen Anstieg der Weltbevölkerung wird es in den nächsten Jahren zu einem deutlichen Mehrbedarf kommen. Um dem steigenden Energieverbrauch entgegen zu wirken, sind effiziente Pumpentechnologien notwendig. Die in dieser Arbeit vorgestellte Pitot-Pumpe arbeitet im Bereich niedriger Volumenströme und hoher Drücke. Bei diesen Betriebspunkten werden normalerweise Verdrängerpumpen eingesetzt, weshalb wenige Forschungsansätze für Radialpumpen vorhanden sind. Die unkonventionelle Bauweise der Pitot-Pumpe erlaubt jedoch bei diesen Betriebspunkten Wirkungsgrade, die mit herkömmlichen einstufigen Radialpumpen nicht möglich sind. Im ersten Abschnitt wird gezeigt, in wie weit durch Formoptimierung der Pumpenwirkungsgrad verbessert werden kann. Das namensgebende Bauteil in der Pumpe ist das Pitot-Rohr. Es dient zur Umwandlung von kinetischer Energie in statischen Druck und entspricht in Standardpumpen dem Spiralgehäuse. In dieser Arbeit wird mittels numerischer Methoden die Formgebung des Pitot-Rohres untersucht. Das Laufrad der Pumpe bleibt dauerhaft unverändert. Ein parametrisiertes CAD-Modell erlaubt alle Untersuchungen („Design of Experiments“) in einem automatisierten Prozess mit der hauseigenen Software OPAL++ durchzuführen. Dabei kann zwischen einem schnellen Ansatz („low-fidelity“) und einem rechen-intensivem Ansatz („high-fidelity“) unterschieden werden, der jedoch alle Strömungsänderungen im Diffusorkanal des Pitot-Rohres und in der Außenströmung erfasst. Aus den Ergebnissen können erste Design-Regeln für projizierte Fläche Ap, benetzte Fläche S, sowie dem Diffusorwirkungsgrad D und dem Pumpenwirkungsgrad abgeleitet werden. Eine alleinige Optimierung mit dem low-fidelity Ansatz erscheint noch nicht sinnvoll, da die Außenströmung im Rotor einen großen Einfluss auf den Pumpenwirkungsgrad hat. Ebenfalls wird gezeigt, dass Leitbleche im Diffusorkanal zu einer Kennlinienverschlechterung führen. Ein neu eingeführtes Pitot-Rohr-Konzept im Nur-Flügel-Design weist lediglich bei Überlast eine Kennlinienverbesserung auf. Als effektives Mittel zur Verbesserung des Betriebsverhaltens kann die Optimierung des Diffusorkanalquerschnitts vom Standard-Pitot-Rohr betrachtet werden. Hier lässt sich die Förderhöhe über die gesamten Kennlinie verbessern, wobei die Leistungsaufnahme nahezu unverändert bleibt. Im zweiten Abschnitt werden Ergebnisse für eine adaptierte Pitot-Pumpe präsentiert: sie dient nicht nur zur Förderung, sondern gleichzeitig auch zur Trennung von Flüssig- Flüssig-Gemischen. Das Gemisch tritt am Einlass der Trennpumpe in den Rotor, wo es Zentrifugalkräften ausgesetzt ist. Am äußeren rotierenden Gehäuse kann das gereinigte Wasser durch den Hochdruckauslass (HDA) abgeführt werden. Die zu maximierenden Zielfunktionen sind Förderhöhe HHDA und Trennungsgrad nT . Letztere gibt eine Aussage über die Wasserqualität am HDA relativ zum Einlass. Das Betriebsverhalten der Trennpumpe wird mittels „Design of Experiments“ untersucht, wobei sich der Flow-Split FS als wichtiger Betriebsparameter herausstellt. Die bereits für Strömungsmaschinen genutzten dimensionslosen Kennzahlen werden für die Trennpumpe adaptiert und für diverse Betriebszustände berechnet. Außerdem wird eine neue dimensionslose Kennzahl eingeführt, um Rückschlüsse auf den Flow-Split zu bekommen: der Trennpumpenkoeffizient KTrenn. Er beinhaltet neben dem Flow-Split auch noch das Geschwindigkeitsverhältnis von Umfangs- zur Meridiangeschwindigkeitskomponente. Alle dimensionslosen Beiwerte werden mittels numerischer Simulationen und experimentellen Daten validiert. Es kann eine gute Übereinstimmung gezeigt werden. Die Daten zeigen außerdem, dass die Trennpumpe außerhalb des Cordier-Diagramms arbeitet. Eine Auslegung ist daher nicht mittels bestehender Daten von herkömmlichen Strömungsmaschinen möglich, sondern bedarf eigener Messwerte. Der Grundstein für weitere Untersuchungen kann durch die vorliegenden Ergebnisse geliefert werden. Gefördert wurde die Forschung durch ein ZIM-Projekt des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (Förderkennzeichen: KF2473102VT1). Das Resultat ist eine nationale Patentanmeldung (Veröffentlichungsnummer: DE112014004820A5) zwischen dem Industriepartner Zeilfelder Pumpen und dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik (LSS) der Otto-von-Guericke-Universität (OvGU) in Magdeburg

Hydraulic pumps are a constant companion in our everyday life - sometimes their actions are clearly visible, but often they are hidden in the background. The steady increase in the world’s population will lead to a significant additional demand in the years to come. In order to counteract the rising energy consumption, efficient pump technologies are necessary. The so-called Pitot-Tube Jet-Pump is presented in this work, which operates in the area of low volumetric flow rate and high pressure head. At these operating points, displacement pumps are normally used, which is why the available research approaches for radial pumps are very limited. However, the unconventional design of the Pitot-Tube Jet-Pump allows pump efficiencies at these operating points, which are not possible with conventional single-stage radial pumps. The first part shows to which extent shape optimization can improve pump efficiency. The Pitot-tube (or pick-up tube), from which the pump derives its name, is used to convert kinetic energy into static pressure and corresponds to the spiral casing in standard radial pumps. In this work, the shape of the pick-up tube is investigated by means of numerical methods. The pump’s impeller remains unchanged. A parametrized CAD model allows all investigations to be carried out using an automated approach (,i.e., „design of experiments“) with the in-house software OPAL++. A distinction can be drawn between a fast (,i.e., “low-fidelity”) and an expensive (,i.e., ’high-fidelity’) approach. Nevertheless, the latter detects all flow changes in the Pitot-tube diffuser channel as well as in the external flow in the rotor chamber. The results provide means for the derivation of the first rules of design for the projected area Ap, the wetted area S, as well as the diffuser efficiency D and the pump efficiency . Simply employing the low-fidelity approach does not guarantee the generation of favorable configurations, since the outer flow in the rotor greatly influences the pump efficiency . It is also shown that guide plates in the diffuser channel lead to a severe deterioration in the characteristic curve. A newly introduced Pitot-tube with a „wing-only“ design only carries an improvement in the characteristic curve if an overload exists. It is shown that the most effective way to improve the operating performance is the optimization of the standard Pitot-tube diffuser channel cross-section. Here, the pump head can be improved over the entire characteristic curve, whereby the power consumption remains virtually unchanged. In the second part, results are presented for an adapted Pitot-Tube Jet-Pump: here the pump is not only used for delivering pump head, but also for the separation of liquidliquid mixtures. The mixture enters the rotation chamber at the inlet of the separation pump, where it is subjected to centrifugal forces. The purified water can be discharged through the high-pressure outlet (HDA) at the outer rotating casing. The functions to be maximized are pump head HHDA at the high-pressure outlet and the separation efficiency nT . The latter gives a statement on the water quality at the HDA relative to the

inlet. The operating behavior of the separation pump is investigated in this study using „design of experiments“. It is shown that the flow split FS is a crucial operating parameter. Already well-known dimensionless parameters for conventional rotating machinery are adapted for the separating pump and calculated for various operating points. In addition, in order to be able to reach a conclusion on the flow split, a new dimensionless parameter is introduced: the separation coefficient KTrenn. All dimensionless coefficients are validated using numerical simulations and experimental data. A good agreement can be shown. The results also show that the separation pump operates outside the classical Cordier-chart. Using existing data from standard rotating machinery is therefore not possible. The presented separation pump requires individual measurement data points. The basis for further investigations is provided by the available results in this study. The research was supported by a ZIM project of the German Federal Ministry of Economics and Energy (funding code: KF2473102VT1). The result is a national patent application (publication number: DE112014004820A5) with the industrial partner Zeilfelder Pumpen and the Laboratory of Fluid Dynamics and Technical Flows (LSS) at the Ottovon- Guericke-University (OvGU) in Magdeburg.