UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN

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1 UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN

2 Wintersemester 2014/2015 Hydraulische Strömungsmaschinen Prof. Dr. Hendrik Wurm Lehrstuhl für Strömungsmaschinen UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 2

3 Inhalt der Vorlesung Hydraul. Strömungsmaschinen Einführung / industrieller Hintergrund (Vorlesung 1) Strömungstechnische Grundlagen (Vorlesung 2) Navier-Stokes-Gleichungen, Kontinuitätsgleichung Turbulenzmodellierung Grenzen der verschiedenen Modellierungsmöglichkeiten Kavitation (Vorlesungen 3,4) Strömungsmaschinen mit Gehäuse (Entwurf, Kennlinien, Regelung, Betrieb) (Vorlesung 5,6,7,8) Strömungsmaschinen ohne Gehäuse (Entwurf, Kennlinien, Regelung) (Vorlesung 9) Strömungstechnische Optimierung mit numerischen Methoden (Vorlesung 10) UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 3

4 Inhalt der Vorlesung Hydr. Strömungsmaschinen Strömungswandler (Vorlesung 11) spezielle Bauformen Seitenkanalpumpen, Schraubenspindelpumpen (Vorl. 12) spezielle Bauformen Voith-Schneider-Propeller (Vorlesung 13) Anwendung bionischer Methoden und Herzunterstützungssysteme (Vorl. 14) UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 4

5 Grundlagen der Kavitation UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 5

6 Begriff lat. cavitare = aushöhlen Kavitation ist die teilweise Verdampfung von Flüssigkeit in einem durchströmten System Für das Aufreißen der Flüssigkeit muss die wirkende Zugspannung überwunden werden (Überwindung der Kohäsionskräfte zwischen den Molekülen). Der Betrag der dafür notwendigen Kräfte hängt von sehr vielen Parametern ab (gemessen wurden Zugspannungen bis -250 bar). UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 6

7 Für das grundlegende Verständnis von Kavitation sind zwei physikalische Phänomene von Bedeutung: 1) Energieerhaltungssatz in der Form r c² 2 + p + r g h = const. (Beziehung zwischen Druck und Strömungsgeschwindigkeit) 2) Abhängigkeit des Sättigungsdruckes (Dampfdruckes) von der Sättigungstemperatur UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 7

8 Aggregatzustand abhängig von Druck und Temperatur aus WIKIPEDIA UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 8

9 UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 9

10 UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 10

11 t [ C] Abhängigkeit des Dampfdruckes von der Temperatur pt [kpa] Tafelbild UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 11

12 Kavitationsarten und Begriffe Blasenkavitation Schichtkavitation Strahlkavitation Schaufelspitzenwirbelkavitation Phänomenologische Erklärung siehe Tafelbilder. UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 12

13 Dynamik der Phasengrenze Phänomenologische Erklärung siehe Tafelbilder. UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 13

14 Beispiele für Kavitation in Maschinen und Anlagen Kavitation ist in allen Situationen möglich, in denen eine Flüssigkeit beschleunigt wird: Rohre - Einspritzleitung bei Fahrzeugen - Krümmer - Feuerlöschleitung von Pumpen Armaturen - Ventile - Schieber Turbomaschinen (Pumpen, Turbinen, Propeller) UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 14

15 DH, L bub., db, DG/t DH 3% Full cavitation Start of the reduction of the head Start of the destruction of material depend. on the cavitation strength of the material Start of the formation of bubbles Acoustic start of cavitation Auswirkungen von Kavitation in Strömungsmaschinen Bubble-Length L bub. [mm] Reduction of the head DH [mm] Cavitation noise db [N/m²] Destruction of material vs. time DG/t [kg/h] Betriebsverhalten einer Kreiselpumpe als Funktion von NPSH A bei konstante Drehzahl und konstantem Förderstrom (nach Florjanic, D.; Gülich, J. und Wesche.: Beurteilungskriterien für die Wahl des Zulaufdruckes von Kreiselpumpen. 3R International, 27 [1988], Heft 7, S. 502/509) entnommen aus Pfeiderer, C.; Petermann, H.: Strömungsmaschinen, 6.Auflage 3% 0% NPSH A UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 15

16 Materialschädigung aus einem Weiterbildungsvortrag von Herrn Dr. Keller, TU München, 2002, entnommen UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 16

17 Schadensmechanismus bei einem Blasenkollaps in Wandnähe aus einem Weiterbildungsvortrag von Herrn Dr. Keller, TU München, 2002, entnommen UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 17

18 Potentielle Energie der Blase symmetrischer Kollaps asymmetrischer Kollaps Druc k- welle n micro - jet Hydro-, Blasendynamik Oberflächenprofil Vorgang Lockerung von Gefüge und Schutzschichten, Ermüdung Werkstoffverhalten Bildung von pits (= plast. Verformung Überlappung von pits aus einem Weiterbildungsvortrag von Herrn Dr. Keller, TU München, 2002, entnommen Bruchvorgänge, Volumen- bzw. Massenverlust UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 18

19 Quelle: Dr. Keller, TU München UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 19

20 Quelle: Dr. Keller, TU München UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 20

21 Quelle: Dr. Keller, TU München UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 21

22 Reduzierung / Zusammenbrauch der Energieübertragung in einer Strömungsmaschine Tafelbild UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 22

23 Schallerzeugung durch Kavitation Der Blasenkollaps führt zu einer sehr schnellen Druckänderung im umgebenden Fluid, die sich als Schallwelle im Fluid ausbreitet Für die Analyse ist zu beachten, ob sich die Schallwelle ungestört ausbreiten kann oder an Wänden und/oder Phasengrenzen beeinflusst wird. UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 23

24 Bewertungsgrößen für die Kavitationsintensität Kavitation hat, wie dargestellt, verschiedene Auswirkungen. Diese können zur Definition von Bewertungsgrößen dienen. Beispiele: Materialzerstörung Materialabtrag je Zeiteinheit in m3 an einem Bauwerk Reduzierung der Energieübertragung Verringerung der Förderhöhe von Pumpen Schallerzeugung Schallabstrahlung eines Propellers, z.b. Messung der Verratsreichweite UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 24

25 Bewertungsgrößen für die Reduzierung der Energieübertragung von Pumpen Kavitationszahl: σ = p S p D 0,5 ρ c s 2, σ 0 Kavitation NPSH (net positive suction head, Haltedruckhöhe): NPSH erf = p S p D ρ g + c 2 s + Z 2g S NPSH vorh = p e p D ρ g + c s 2 2g + Z e H v,s UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 25

26 NPSH- Werte NPSHvorh ist die Haltedruckhöhe, die eine Anlage zur Verfügung stellt. NPSHerf ist die Haltedruckhöhe, die eine Pumpe benötigt, um eine zu definierende Grenze nicht zu unterschreiten. Beispiele für übliche Grenzen sind: 3% Abfall der Förderhöhe oder 3% Abfall des Wirkungsgrades z.b. NPSHerf,H3% 3% Abfall der Förderhöhe Für einen dauerhaft sicheren Pumpenbetrieb muss sein. NPSHvorh > NPSHerf UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 26

27 NPSH- Werte NPSHi ist die Haltedruckhöhe, bei der Kavitationsvorgänge sichtbar einsetzen. NPSHvk ist die Haltedruckhöhe, bei der die sogenannte Vollkavitation vorhanden ist. Im Laufrad ist weitgehend eine Zweiphasenströmung vorhanden. andere Definitionen des NPSH-Wertes können sich beziehen auf Materialabtrag Geräuschemission Lebensdauer UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 27

28 Messung des NPSHerf,H3%-Wertes für Kreiselpumpen Installation der Pumpe in einem Prüfstand, in dem der NPSH-Wert der Anlage verändert werden kann. Betrieb der Pumpe bei konstanter Drehzahl. Einstellung eines konstanten Volumenstromes (und damit einer konstanten Förderhöhe) und Verringerung der Haltedruckhöhe der Anlage bis die Förderhöhe um 3% abfällt. Wiederholung dieses Prozesses für andere Volumenströme. Auftragung der gemessenen Werte als NPSHerf,H3% = f(q)-kurve. Äquivalent kann auch für die Messung anderer Kriterien, wie z.b. Wirkungsgradabfall vorgegangen werden. UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 28

29 3% H Messung des NPSHerf-Wertes unter Berücksichtigung der Grenze 3% Förderhöhenabfall Q 1 =const Q 2 =const Q 2 > Q 1 NPSH erf,h3% NPSH A UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 29

30 H Typische Kennlinie NPSHerf = f(q) einer Kreiselpumpe BEP NPSH erf Q UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 30

31 Das Verständnis der dargestellten Zusammenhänge zur Kavitationsentstehung erlaubt einen grundlegenden Einblick dessen Mechanismen. In realen Strömungen ist die Ausbildung von Kavitation ein sehr komplizierter Vorgang, der von vielen Faktoren abhängt. Einflussfaktoren sind z.b.: Wasserqualität Stoffeigenschaft Strömungsstrukturen Größe und Geometrie des umströmten Körpers UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 31

32 Problem der Massstabseffekte Die Erfahrung hat gezeigt, dass für das Auftreten von Kavitation Masstabseffekte für verschiedene Größen existieren. Dieses Phänomen wurde sehr ausführlich von Herrn Dr. Keller an der TU München untersucht. Im Ergebnis hat Dr. Keller empirische Zusammenhänge für Massstabseffekte erarbeitet. UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 32

33 Kavitationszahl, Messergebnisse verschiedener Einrichtungen für dasselbe Bauteil 2,0 SSPA 1,0 VAO LCC ARL s 1,5 1,0 0,5 0,0 INTERMITTENT PERMANENT V [m/s] TIP VORTEX CAV. INCEPTION SSPA PARIS PARIS NSMB NSMB TUB HYDR s 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 508 mm 254 mm 50,8 mm 60 mm 30 mm 15 mm 50,8 mm 25,4 mm 12,7 mm V [m/s] SCHIEBE BODY, CAV. INCEPTION Quelle: Dr. Keller, TU München UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 33

34 Effekt der Wasserqualität Quelle: Dr. Keller, TU München s = 0.69 high tensile strength zero tensile strength negative tensile strength UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 34

35 Geschwindigkeitseffekt s = 0.80 V = 8.0 m/s Quelle: Dr. Keller, TU München V = 14.0 m/s UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 35

36 Geschwindigkeitseffekt Quelle: Dr. Keller, TU München UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 36

37 Größeneffekt s = 2.18, V = 11.0 m/s max. chord length 50 mm max. chord length 100 mm max. chord length 200 mm UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 37

38 Empirischer Zusammenhang für Turbulenz- und Viskositätseffekt Viskosität Turbulenz k 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 (/ 0 ) 1/4 K NACA 6 NACA 9 NACA 12 NACA 15 hemispherical conical 1/8 cal. ogival blunt 0 0,5 1 1,5 S [m/s] k K K 1 S K0 K0 S 0 Quelle: Dr. Keller, TU München UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 38

39 Empirischer Zusammenhang für alle Maßstabseffekte s i s s 0 k K k K 0 1 L L V V 0 0 n S K K S 0 2 0,35<n<0,5 Quelle: Dr. Keller, TU München s i K 0 V 1 V n L 1 0 L 0 0 K 0 S S 0 UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 39

40 Vermeidung von Kavitation und Verzögerung von Materialschäden im Laufrad Möglichkeiten zur Vermeidung von Kavitation 1) Anlage Erhöhung des NPSH vorh, z.b. - Zulaufhöhe vergrößern - Druck vor der Pumpe vergrößern (z.b. Vorpumpe) - Widerstand in der Saugleitung verringern (Nennweite, Einbauten) Wasserqualität gezieltes Einbringen von Luft in die Saugleitung kurz vor der Pumpe dämpft Schall (hat aber auch Nachteile) etc. UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 40

41 Vermeidung von Kavitation und Verzögerung von Materialschäden im Laufrad Möglichkeiten des Entwicklungsingenieurs Verwendung von: einem Inducer (Vorsatzläufer) einem doppelflutigem Laufrad einer Profilierung mit kleinen Unterdruckspitzen einer geringeren Drehzahl UNIVERSITÄT ROSTOCK, MSF, LEHRSTUHL FÜR STRÖMUNGSMASCHINEN 41

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