Strömungsmaschinen. Tätigkeitsbericht 2003 und Prof. Dr.-Ing. F.-K. Benra

Transkript

1 Strömungsmaschinen Tätigkeitsbericht 2003 und 2004 Prof. Dr.-Ing. F.-K. Benra Universität Duisburg Essen Fachbereich Ingenieurwissenschaften Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik

2 Universität Duisburg - Essen Fachbereich Ingenieurwissenschaften Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik Strömungsmaschinen Tätigkeitsbericht für den Zeitraum bis

3 2 Vorwort Dies ist der zweite Tätigkeitsbericht seitdem der frühere Leiter des Lehrstuhles, Herr Prof. Dr.- Ing. H. Simon in den vorzeitigen Ruhestand ging. Auch dieses Mal beträgt der Berichtszeitraum wiederum zwei Jahre, die geprägt waren von äußerst knappen öffentlichen Mitteln sowie von Umstrukturierungsmaßnahmen innerhalb der Hochschule, die zum Teil auch auf die Fusion der Universitäten Duisburg und Essen zurückzuführen sind. Obwohl in diesen insgesamt schwierigen Zeiten der Ausbau des Lehrstuhles nicht zu erwarten ist, mutet eine Reduzierung des Personals um mehr als 50% wie die beabsichtigte Schließung eines bis dahin gut funktionierenden Fachgebietes an. Wenn dies vor dem Hintergrund des Standortes der neu gegründeten Universität Duisburg-Essen im Zentrum des Ruhrgebietes, umgeben von einer erheblichen Zahl großer Industrieunternehmen, deren Produktionsprogramm zum großen Teil aus Kraftwerkstechnik mit den dazugehörigen Strömungsmaschinen ist, betrachtet wird, scheint der politische Auftrag zur Ausbildung von Studierenden für die örtliche Industrie nicht mehr erfüllbar. Die Firma MAN Turbo beschäftigt bei einem Jahresumsatz von etwa 600 Millionen Euro von insgesamt 2800 Mitarbeitern etwa 1340 Mitarbeiter an ihrem Standort Oberhausen und zählt weltweit zu den Marktführern im Bereich von Gasturbinen und Dampfturbinen mittlerer Leistung sowie von Turboverdichteranlagen. Die Firma Siemens AG mit weltweit Mitarbeitern, einem Jahresumsatz von 8 Milliarden Euro und einem derzeitigen Auftragsvolumen von 12 Milliarden Euro beschäftigt an ihrem Standort Mülheim ca Mitarbeiter im Bereich Dampf- und Gasturbinen zur Stromerzeugung. Außerdem werden am Standort Duisburg (früher DEMAG-Delaval) ca Mitarbeiter im Bereich Industriedampfturbinen und Turboverdichter beschäftigt. Auch die industrienahe und produktbezogene Forschung auf dem Gebiet der Strömungsmaschinen, das im Umkreis von ca. 20 km alleine durch die Firmen Siemens PGI, Duisburg, Siemens PG, Mülheim und MAN Turbo AG, Oberhausen ein Beschäftigungspotential von ca Arbeitsplätzen bietet, lässt sich mit derart wenig Personal bei extremer Lehrbelastung nur bedingt aufrecht erhalten. Um so mehr erfüllt es uns mit Stolz, dass die bereits seit mehr als 8 Jahren existierende Zusammenarbeit mit Siemens PG, Mülheim durch einen erneuten Vertrag über weitere drei Jahre fortgesetzt werden konnte. Auch die erhebliche Anzahl wissenschaftlicher Veröffentlichungen im Berichtszeitraum zeugt von dem enormen Einsatz aller beteiligten Mitarbeiter, zu denen ich auch die studentischen Hilfskräfte zählen möchte. An dieser Stelle möchte ich allen Mitarbeiter für ihren Einsatz herzlich danken.

4 3 Mitarbeiter Professor Prof. Dr.-Ing. F.-K. Benra MB 368 (0203) Technischer Mitarbeiter W. Jacobi MB 361 b (0203) benra@uni-duisburg.de jacobi@uni-duisburg.de Akademischer Oberrat Dr.-Ing. H. J. Dohmen MB 369 (0203) Wissenschaftliche Hilfskraft M. Wenzel dohmen@uni-duisburg.de Wissenschaftliche Mitarbeiter Dipl.-Ing. O. Schneider MB 361 a (0203) schneider@uni-duisburg. de Dipl.-Ing. M. Sommer MB 361 a (0203) Studentische Hilfskräfte D. Lunkeit M. Meyer N. Savilius Th. Schneider H. Szymanski Ch. Woiczinski M. Zwingenberg m.sommer@uni-duisburg.de M. Sc. Jianjun Feng MB 361 a (0203) j.feng@uni-duisburg.de Dipl.-Ing. K. Jarzombek MA 227 (0203) jarzombek@uni-duisburg.de

5 4 Lehre Im Fach Strömungsmaschinen werden die Studierenden des Maschinen- und Anlagenbaus mit der Arbeitsweise der kontinuierlich durchströmten Kraft- und Arbeitsmaschinen vertraut gemacht. Voraussetzung dazu sind vertiefte Kenntnisse der Studierenden aus nahezu allen Lehrgebieten des Maschinenbaustudiums. Insbesondere vereint die Theorie der Arbeitsumsetzung in Strömungsmaschinen die Bereiche Mechanik, Strömungstechnik und Thermodynamik. Aber auch Kenntnisse auf den Gebieten der Werkstofftechnik, der Konstruktion und der Fertigung werden bei der Auslegung, Berechnung und Konstruktion von Strömungsmaschinen angewandt. Die Vermittlung der allgemeinen Berechnungsgrundlagen für Strömungsmaschinen geschieht in einer für alle Studierende des Maschinen- und Anlagenbaus verpflichtenden Vorlesung. Hier werden die allgemeingültigen thermo- bzw. hydrodynamische Berechnungsmethoden für alle Strömungsmaschinentypen bereit gestellt. Außerdem werden in Vertiefungsveranstaltungen weitergehende Kenntnisse der einzelnen Maschinentypen und Maschinenbauweisen vermittelt. Neben den zur großtechnischen Energiewandlung in Kraftwerken eingesetzten Gasturbinen und Dampfturbinen werden auch die Turboverdichter axialer und radialer Bauart und die in nahezu allen technischen Anlagen eingesetzten Kreiselpumpen ausführlich in einzelnen Vorlesungen behandelt. Praktische Kenntnisse des Einsatzes und des Betriebes von Strömungsmaschinen werden den Studierenden im Rahmen des Laborpraktikums an unterschiedlichen Strömungsmaschinentypen vermittelt. Es werden Versuche an einem einstufigen Industrie-Radialverdichter als auch Versuche an verschiedenen Kreiselpumpenanlagen (von einstufigen Abwasserpumpen bis zu mehrstufigen Hochdruckpumpen) und an einem Gebläse angeboten. Die Versuche werden von den Studierenden in kleinen Gruppen nach einer kurzen Einführung eigenständig durchgeführt. Eine ausführliche Anleitung zu den einzelnen Versuchen wird den Studierenden im Vorfeld zur Verfügung gestellt. Die Erfassung der benötigten Strömungsgrößen wird mit einer modernen Messtechnik und einer computergesteuerten Messdatenerfassung durchgeführt. Die Messdaten werden von den Studierenden in einer Gruppenarbeit ausgewertet und die Ergebnisse ausführlich in einem Versuchsbericht dokumentiert. Ergänzend zu den in den Lehrplänen vorgesehenen Veranstaltungen werden in regelmäßigen Abständen Seminare durchgeführt. Darin werden zu verschiedenen Themen des Strömungsmaschinenbaus Vorträge von Fachleuten aus der Strömungsmaschinenindustrie, von Strömungsmaschinenbetreibern, von Wissenschaftlern anderer Universitäten oder auch von Studierenden, die über ihre wissenschaftlichen Arbeiten berichten, gehalten. Zum weiteren Ausbildungsprogramm gehören auch ein- oder mehrtägige Exkursionen zu Kraftwerksanlagen oder zu Herstellern von Strömungsmaschinen. Die Besichtigung der Anlagen und der unmittelbare Einblick in die Herstellung und in den Betrieb von Strömungsmaschinen vertiefen den angestrebten Praxisbezug und fördern das Verständnis für die komplexen Abläufe innerhalb dieser Maschinenbauart. Letztendlich werden den Studierenden auch Themen für Studien-, Projekt- oder Abschlussarbeiten (Diplomarbeiten, Bachelor-Abschlussarbeiten) angeboten. Diese Arbeiten mit numerischen, experimentellen oder konstruktiven Aufgabenstellungen werden als abgeschlossene Teilprojekte überwiegend aus den aktuellen Forschungsarbeiten ausgekoppelt.

6 5 Vorlesungen Sommersemester 2003 Diplomstudiengang Maschinen- und Anlagenbau Vertiefungsfächer Allgemeiner Maschinenbau Vertiefungsfächer Energie- und Umweltverfahrenstechnik Gasturbinen V 2 / Ü 1 Turboverdichter V 2 / Ü 1 Kreiselpumpen V 2 / Ü 1 Berechnung und Konstruktion von Kraft- und Arbeitsmaschinen II V 2 / Ü 1 Berechnung und Konstruktion von Strömungsmaschinen II V 2 / Ü 1 Strömungsmaschinenseminar S 1 Wintersemester: 2003 / 2004 Diplomstudiengang Maschinen- und Anlagenbau Strömungsmaschinen 3V / 1Ü / 1P Vertiefungsfächer Allgemeiner Maschinenbau Vertiefungsfächer Energie- und Umweltverfahrenstechnik Dampfturbinen Turboverdichter Kreiselpumpen 2V / 1S 2V / 1S 2V / 1P Bachelor - Studiengang Maschinenbau Kraft- und Arbeitsmaschinen A 2V / 1Ü ISE Master of Science in Mechanical Engineering - Wahlpflichtfächer Dampfturbinen 2V / 1Ü Sommersemester 2004 Diplomstudiengang Maschinen- und Anlagenbau Vertiefungsfächer Allgemeiner Maschinenbau Vertiefungsfächer Energie- und Umweltverfahrenstechnik Gasturbinen V 2 / Ü 1 Turboverdichter V 2 / Ü 1 Kreiselpumpen V 2 / Ü 1 ISE Master of Science in Mechanical Engineering - Wahlpflichtfächer Gasturbinen V 2 / Ü 1

7 6 Praktika Für die verschiedenen Studiengänge werden unterschiedliche Laborpraktika angeboten. Sie unterscheiden sich in erster Linie durch den wissenschaftlichen Anspruch, der an die Versuche bei der Bearbeitung zu stellen ist. Studierende in den ersten Semestern werden naturgemäß mit einfach zu bedienenden Gerätschaften konfrontiert. Trotzdem wird das Arbeitsprinzip der Strömungsmaschinen didaktisch aufbereitet an die Studierenden vermittelt. Als Beispiel dafür kann der dargestellte Gebläseprüfstand angeführt werden. Versuchsstand mit dem Modell eines Radialgebläses Die Veranschaulichung der unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten von Strömungsmaschinen in verschiedenen Anlagen geschieht durch einen in Eigenleistung hergestellten Prüfstand. Hier lassen sich verschiedene Kreiselpumpen durch Schaltung unterschiedlicher Wege in paralleler und/oder in serieller Anordnung untersuchen. Die M essung der Pumpen- und der Anlagenkennlinien wird durch eine einfache Instrumentierung vorgenommen. Praktikumsprüfstand zur Untersuchung von Kreiselpumpen in unterschiedlichen Anordnungen

8 7 Betreute Studien- und Projektarbeiten Wei Jin Numerische Untersuchungen des Betriebsverhaltens von Dampfturbinen Shuzen Zhou Numerische Untersuchung des Betriebsverhaltens von Dampfturbinenstufen Roger Schuller Untersuchungen zur Modellierung des Strömungsverhaltens im Kühlluftsystem von Gasturbinen Michael Hensges Untersuchung des Einflusses verschiedener Konstruktionsparameter auf die hydrodynamischen Kräfte einer Zweischaufelradpumpe Thomas Schneider Berechnung von Fluid-Struktur-Wechselwirkungen mit dem Programm ADINA Christian Woiczinski Experimentelle Untersuchung von Drucksensoren zur instationären Messung statischer Drücke Daniel Lunkeit Auslegung und Konstruktion einer Kreiselpumpe aus Plexiglas für optische Strömungsuntersuchungen Nicolas Savilius Geometrievariation eines Einschaufelrades im Hinblick auf eine Reduzierung der hydrodynamischen Kräfte Holger Gedanitz Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in einer Kreiselpumpe mittels Laser-Doppler- Anemometer M age Zhang Design Optimization of a Cenrifugal Pump Based on Numerical Methods Gang Li Measurement of Pump Characteristics and Comparison to Existing Data Bo Wan Construction of a PIV Camera Console for a Single Blade Sewage Water Pump

9 8 Diplomarbeiten Lynn Küppers Verifizierung von Korrelationen in einem eindimensionalen Programm zur Berechnung der Strömung im Sekundärluftsystem von Gasturbinen Cengiz Yüksel Konstruktive Gestaltung radialer Pumpenlaufräder Thomas Schneider Auswertung von Particle-Image-Velocimetry Messungen in einer Kreiselpumpenstufe mit unbeschaufeltem Diffusor Während seiner Diplomarbeit befand sich Herr Schneider als Austauschstudent an der Ecole Nationale Supérieure D Arts et Métiers in Lille, Frankreich. Er arbeitete dort an einem Forschungsprojekt der Wissenschaftlergruppe um die Professoren Bois und Caignaert mit und fertigte seine Diplomarbeit in englischer Sprache an. Katharina Jarzombek Entwicklung eines Lagrange-Tracking Algorithmus zur Untersuchung von Staubpartikeln im Vordrallkühlluftsystem von Gasturbinen Frau Jarzombek erhielt für ihre ausgezeichnete Diplomarbeit auf dem Gebiet der Vordrallkühlluftsysteme von stationären Gasturbinen einen der Absolventenpreise für hervorragende Abschlussarbeiten. Mit ihrer Arbeit leistete sie durch die Erstellung eines Verfahrens zur Beschreibung des Partikelverhaltens in einer Strömung mit einem Lagrange- Tracking-Verfahrens einen wichtigen Beitrag zur Bestimmung des Staubabscheideverhaltens von Sekundärluftsystemen. Bachelor Abschlussarbeiten Michael Hensges Konstruktion eines hochbelasteten Prüfstandrotors Xiangming Sun Numerical Investigation of Cavitation Flow in a Centrifugal Pump

10 9 Kontakte und Kooperationen Ein Ziel der wissenschaftlichen Arbeit ist neben der Lehre und der Forschung auf einem Arbeitsgebiet auch der Austausch wissenschaftlicher Ergebnisse mit anderen Einrichtungen. Dazu zählen zum einen andere Hochschulen aber auch Industriebetriebe innerhalb Deutschlands oder auch im Ausland. Die folgenden Kontakte und Kooperationen konnten im Berichtszeitraum neu geknüpft oder erweitert werden. Studentenaustausch: Im Jahre 2003 wurde erstmalig ein Studentenaustausch mit einer anderen Universität vereinbart. Im Oktober 2003 ging ein Student für 6 Monate zur Ecole Nationale Supérieure D Arts et Métiers in Lille, Frankreich, um dort seine Diplomarbeit anzufertigen. Er arbeitete dort im Team der Professoren Bois und Caignaert, die sich beide mit der optischen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten in Kreiselpumpen beschäftigen. Wissenschaftleraustausch: Ebenfalls im Oktober 2003 gelang es uns, einen wissenschaftlichen Mitarbeiter der Xi an Jiaotong University, China nach Duisburg zu holen, um ihn hier als wissenschaftliche Hilfskraft zu beschäftigen. Nach seiner Ausbildung in China zum Master of Science strebt er hier seine Promotion im Fach Strömungsmaschinen der Universität Duisburg- Essen an. Kontakte: Weitere wissenschaftliche Kontakte konnten zum Department of Power Engineering der Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture der University of Zagreb, Kroatien, zum Turbomachinery Laboratory des Department of Mechanical Engineering der Michigan State University in East Lansing, Michigan, USA und zum Royal Melbourne Institute of Technology der RMIT University of Melbourne, Australien geknüpft werden. Der Besuch des Präsidenten der Firma CONCEPTS NREC, Dr. David Japikse war im Jahre 2004 das herausragende Ereignis. Dr. Japikse gründete die Firma CONCEPTS NREC, die als die weltweit führende Firma bezüglich Auslegung und Entwicklung von Strömungsmaschinen gilt. Im Juni 2004 besuchte er den Lehrstuhl Strömungsmaschinen und hielt eine Vorlesung über die Optimierung von Strömungsmaschinen mit dem Titel: Optimization in Component Design and Redesign. An dieser Veranstaltung nahmen auch zahlreiche Vertreter der in der Umgebung angesiedelten Strömungsmaschinenindustrie teil. Eine Vertiefung der Zusammenarbeit zwischen der Firma CONCEPTS NREC und dem Lehrstuhl Strömungsmaschinen wurde vereinbart. Kooperationen mit der Industrie Neben den größeren Forschungsprojekten, die auf bilateralem Wege oder durch öffentliche Fördereinrichtungen finanziert werden, sind auch kleinere Forschungs- und Entwicklungsaufträge der Industrie Gegenstand der Bearbeitung. Dabei wird das im Lehrstuhl vorhandene Fachwissen und die Ausstattung eingesetzt, um in der Industrie vorhandene Fragestellungen zu bearbeiten. Häufig treten kleine oder mittelständische Firmen an universitäre Lehrstühle mit Aufgabenstellungen in geringem Umfang heran, da sie nicht über die erforderlichen Personalkapazitäten, die entsprechende Ausstattung oder das entsprechende Fachwissen verfügen. Aber auch große Firmen suchen bei bestimmten Fragestellungen Hilfe bei Hochschuleinrichtungen. In dem in diesem Tätigkeitsbericht beschriebenen Zeitraum wurden mehrere Industrieprojekte dieser Art bearbeitet. Einige dieser Projekte werden nachfolgend kurz beschrieben und die wesentlichen Ergebnisse dargestellt. Derartige Kooperationen mit der Industrie führen zu einem Wissenstransfer von der Hochschule zur Industrie und ermöglichen eine Rückkopplung bezüglich der Bedürfnisse der Industrie sowie deren technologischen Stand.

11 10 Zusammenarbeit mit de r Industrie Wilo AG: Druckstossuntersuchung in einer Pumpenanlage In einer Abwasserhebeanlage, die im nebenstehenden Bild dargestellt ist, sollen die maximal auftretenden Druckspitzen beim Schließen der Rückschlagklappe ermittelt werden. Diese Aufgabe wurde sowohl theoretisch als auch experimentell durchgeführt. Neben der numerischen Bestimmung des Druckes als Funktion der Zeit wurden die Druckverläufe auch durch Versuche bestimmt. 1,2 p [bar] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0, 0 0,2 0,4 0,6 0, 8 1,0 1,2 1,4 1,6 t [s] Gemessene Druckschwankungen

12 11 Pierburg AG: Auswahl eines Radialverdichters In diesem Projekt wurde eine Studie über die Leistungsfähigkeit eines Verdichters bzw. Gebläses für vorgegebene aero-thermodynamische und mechanische Randbedingungen durchgeführt. Neben der Auslegung und Nachrechnung wurde eine Einordnung der Maschine mit Hilfe dimensionsloser Kenngrößen in das für Strömungsmaschinen gebräuchliche Cordier Diagramm vorgenommen. Als Randbedingungen für die Auslegung der Maschine waren folgende Größen vorgegeben. -Drehzahl: n = [min -1 ] -Massenstrom: m = [kg/s] -Max. Außendurchmesser: D 2 = 0.06 [m] -Min. Innendurchmesser: D 1 = [m] -Druckerhöhung: Δp = 100 [mbar] Cordierdiagramm Drehzahlvariation (D 2 = 58mm) ,9 0,8 Durchmesserkenngroesse 10 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Wirkungsgrad Pumpe Max. Pumpe Min min min min min-1 Wirkungsgrad 0,2 0,1 1 0,01 0,1 1 0 Drehzahlkenngroesse Cordierdiagramm mit Drehzahlvariation

13 12 Pierburg AG: Auslegung eines Radialgebläses Thermodynamische Daten: - Zu verdichtendes Medium: Luft - Eintrittstemperatur des Mediums: T 0 = 20 C - Eintrittsdruck am Saugstutzen: p 0 = 1013 hpa - Austrittsdruck am Druckstutzen bzw. zu erwartender Gegendruck: p hpa - Zu liefernder Massenstrom: 35 kg/h - Drehzahl: min -1 ( da wir eine möglichst hohen Enddruck erreichen wollen, ist diese Drehzahl der max. und min. Wert zugleich). - Vorgaben für die Kennlinienform: I dp/dm I > 3,0 im Auslegungspunkt Konstruktionsdaten: Anschlussmaße: Saugmunddurchmesser: d = max. 24mm, Nabendurchmesser = 12mm Druckstutzen: d = max. 17mm Maximaler Laufraddurchmesser: d = 95mm Maximale Abmessungen des Gebläses in axialer und in radialer Richtung: Gehäuseinnendurchmesser: max. 108mm Gehäuseinnenbreite: max mm ProEngineer Volumenmodell des 2-stufigen Gebläses

14 13 Ruhrpumpen GmbH: Entwicklung und Fertigung eines Einschaufellaufrades In ein vorhandenes Pumpengehäuse, in dem bisher ein 2-Kanal-Topfrad betrieben wurde, soll aus Gründen der geringen Verstopfungsanfälligkeit ein Einschaufellaufrad eingesetzt werden. Die gewünschten Förderdaten sind: H = 30 m Q = 1500 m 3 /h n = 1180 min -1 D 1 = 350 mm D 2 = 500 mm b 2 = 160 mm Als Vorgabe dienten zudem eine theoretisch bestimmte Kennlinie des Einschaufelrades sowie der Meridianschnitt durch die Pumpe. Aufgrund der Situation, dass das neue Laufrad in ein bestehendes Gehäuse eingebaut werden musste, waren nur wenige Freiheitsgrade bei der Auslegung des Einschaufelrades vorhanden. Folgende Bereiche von Auslegungsparametern sind für effektive Einschaufelräder zu wählen: Umschlingungswinkel θ: 290 o 310 o Schaufeleintrittswinkel β 1 : 15 o 30 o Schaufelaustrittswinkel β 2 : 15 o 25 o Maximale Schaufeldicke d max : 30 mm Das Laufrad wurde ausgelegt, konstruiert und der Prototyp als Schweißkonstruktion aus Aluminium gefertigt. Geschweißtes Einschaufellaufrad

15 14 Ruhrpumpen GmbH: Entwicklung eines Dreischaufellaufrades und Fertigung eines Prototypen Im Rahmen dieses Projektes wurde die Auslegung eines Dreischaufellaufrades der Firma Ruhrpumpen GmbH untersucht. Dabei soll die Strömung im Laufrad numerisch simuliert und anschließend die Geometrie beurteilt werden. Weiterhin waren folgende Fragen zu klären: Gerade oder schräge Austrittskante Form des Meridianschnitt Austrittswinkel Lage und Winkel der Eintrittskante Umschlingungswinkel der Schaufeln Neben den ersten geometrischen Abmessungen des Entwurfes lagen folgende Kenngrößen des Laufrades vor: Volumenstrom: Q = [m 3 /h] Drehzahl: n = 590 [min -1 ] Förderhöhe: H = 40 [m] Rapid Prototyping Modell eines Dreischaufellaufrades (Maßstab 1:2,5)

16 15 Ruhrpumpen GmbH: Numerische Unte rsuchung eines Pumpenlaufrades hinsichtlich Kavitation In diesem Projekt wurde das Kavitationsverhalten eines Dreischaufellaufrades bei zwei verschiedenen Betriebspunkten numerisch untersucht. Vereinbart war, für jeden Betriebspunkt je eine Strömungsrechnung mit und ohne Kavitationsmodell durchzuführen. Zu den vorbereitenden Arbeiten zählte neben der Geometrieaufbereitung und der Vernetzung der Strömungsvolumens die Definition der Rechenmodells für die numerischen Strömungsrechnungen. Darstellung des Rechenmodells

17 16 Rusch-Pumpen GmbH: Entwicklung eines Kreiselpumpenlaufrades Für die Untersuchung wurde eine Chemienormpumpe nach DIN ausgewählt. Mit Rücksicht auf das breite Spektrum vorhandener Laufraddurchmesser wurde ein Laufrad aus dem mittlerem Bereich gewählt. Technischen Daten des Laufrades : Volumenstrom: Q = 80 m 3 /h Förderhöhe: H = 20 m Drehzahl: n = 1450 min -1 Nenndurchmesser: D 2 = 250 mm Eine weitere Vorgabe war, dass das optimierte Laufrad ohne Umbau in das Originalgehäuse eingebaut werden konnte. p t,abs Merdianschnitt p t,abs Schaufelumfang p t,abs mittlere Stromlinie Da der Prototyp für Experimente zum Nachweis der hydrodynamischen Eigenschaften vorgesehen war, wurde er mittels des selektiven Lasersinterns aus Metall hergestellt. Dieser Herstellungsprozess ist sehr aufwendig und zeitintensiv. Das Bild zeigt den so genannten Grünling aus Stahlpulver (FeCr), der in der Maschine gesintert wurde und anschließend in einem Ofenprozess mit Bronze infiltriert wird.

18 17 Erweiterung der Ausstattung des Lehrstuhles Stereoskopisches Particle Image Velocimetry System Im Berichtszeitraum konnte die Geräteausstattung des Lehrstuhles weiter verbessert werden. Insbesondere die nicht-invasiven Messverfahren, die auf optischem Wege eine Bestimmung der Strömungsgrößen zulassen, sind für Strömungsmaschinen geeignet. Das über einen Antrag nach dem Hochschulbauförderungsgesetz bereits zuvor beschaffte stereoskopische Particle Image Velocimetry System (für Geschwindigkeitsmessungen in allen drei Koordinatenrichtungen) wurde an einem Pumpenstufenprüfstand in Betrieb genommen. Bei der Pumpe handelt es sich um die erste Stufe einer kommerziell verfügbaren mehrstufigen Hochdruckpumpe, die in einem speziellen Prüfstandsaufbau mit den erforderlichen optischen Zugängen versehen wurde. Spezifikation des PIV-Systems: New Wave MiniLase Doppelpuls Nd:YAG-Laser, Pulsenergie 50 mj Lichtführungsarm 1,8 m 2 Dantec HiSense PIV/LIF Kameras 1280x1024 Pixel, 12 Bit Auflösung PIV 1100 Prozessor Mainframe FlowManager Software einschließlich 3D-Modul Tank Druckleitung Lichtarm Laserköpfe Optik Saugleitung Particle Image Velocimetry System montiert am Prüfstand für eine Kreiselpumpenstufe

19 18 Laser Doppler Velocimetry System Das Laser Doppler Velocimetry System besteht aus der Modul-Optik 55X der Firma Disa (heute Dantec Dynamics) Es handelt sich um ein einkomponentiges System, das in der Differential- Doppler-Betriebsart (Zweistrahlverfahren) arbeitet. Als Lichtquelle kommt ein koaxialer Laser des Typs 1145 P der Firma JDS Uniphase zum Einsatz. Dieser He-Ne-Laser ist über einen Adapter mit einem Träger der Optik verschraubt. Dieser Träger kann um 360 Grad gedreht werden und ermöglicht so eine Drehung des Messvolumens. Diese Möglichkeit wird genutzt, um mit diesem einkomponentigen System auch die zweite Strömungsgeschwindigkeitskomponente zu erfassen. Für die hier bevorzugte Anwendung in Strömungsmaschinen wird das an den im Fluid mit geführten Partikeln gestreute Licht in Rückwärtsstreuung ebenfalls über die Sendeoptik empfangen. Die Messdaten werden vom Signalprozessor über ein IEEE-488 Schnittstellensystem in den Computer übertragen und mit der BSA Flow Software V.2.1 ausgewertet. Zur Variation des Messortes ist die gesamte Einheit auf einer zweidimensionalen Traversiereinrichtung montiert, die ein rechnergesteuertes Verfahren des Messsystems erlaubt. Umlenkspiegel Saugleitung Gehäuse 2D Traversierung Druckleitung Laser Doppler Velocimetry System montiert am Prüfstand für eine Kreiselpumpenstufe

20 19 Forschungsprüfstände Kühlluftversorgungsprüfstand Aufgrund von Umgebungseinflüssen ist die Kühlluft in Gasturbinen mit Staubpartikeln beladen, die störend auf das Kühlsystem der Gasturbine einwirken können. Im Rahmen eines von der Industrie geförderten Forschungsprojektes werden sowohl experimentelle als auch numerische Untersuchungen zum Staubabscheideverhalten derartiger rotierender Systeme durchgeführt. Es wurde der vollständige Prüfstand für die Versorgung der Läuferscheibe einer modernen Gasturbine geometrisch skaliert entwickelt und aufgebaut (Antriebsleistung 780kW, n Versuch =11000 min -1 ), der auch die Zuführung von staub- und partikelbeladener Luft erlaubt. Die thermodynamischen Zustände der Kühlluft werden im stationären System durch zahlreiche Temperatur und Druckmessstellen bestimmt. Darüber hinaus wird ein Particle ImageVelocimetry System (PIV) angewendet um das Strömungsgeschwindigkeitsfeld optisch und non-invasiv zu untersuchen. Messungen zum Staubabscheideverhalten umfassen ebenfalls PIV-Untersuchungen und auch makroskopische und mikroskopische Untersuchungen von Partikeln sowie die Bestimmung des Trenngrades. Gesamtansicht des Kühlluftversorgungsprüfstandes

21 20 Abwassertauchpumpe Der abgebildete Prüfstand für Tauchpumpen wurde an der Technischen Universität Berlin gebaut. Aufgrund persönlicher Kontakte zu dem ehemaligen Leiter des Fachgebietes Hydraulische Strömungsmaschinen und Strömungstechnik im Herrmann-Föttinger-Institut für Strömungsmechanik, Herrn Prof. Dr.-Ing. Helmut Siekmann konnte der Prüfstand aufgrund der Emeritierung von Herrn Prof. Siekmann übernommen werden. Nach einer grundlegenden Überarbeitung wurde der Prüfstand im Berichtszeitraum wieder in Betrieb genommen und derzeit für Untersuchungen an der Einschaufelradabwasserpumpe des Forschungsprojektes Hydrodynamische Unwucht genutzt. Das Becken hat ein Fassungsvermögen von etwa 3 m 3 Wasser. Die wegen der großen Plexiglasfenster hervorragende optische Zugänglichkeit erlaubt Geschwindigkeitsmessungen mit dem PIV Verfahren innerhalb der ebenfalls transparenten Pumpe. Die Leistungsdaten der Pumpe sind: o Förderhöhe H = 12,4 m o Volumenstrom Q = 40,6 l/s o Drehfrequenz n = 24,2 s -1 o Antriebsleistung P = 7,5 kw Prüfstand für Unterwassermotorpumpen einschließlich PIV System

22 21 Erste Stufe einer Hochdruckpumpe Das Foto zeigt den kompletten Prüfstand für eine Kreiselpumpenstufe. Im Hintergrund ist ein druckloser Kunststofftank mit einem Fassungsvolumen von 3000 Liter zu sehen. Daraus saugt das Laufrad das Wasser über ein transparentes Kunststoffrohr an. Nach dem Pumpenlaufrad wird die Strömung in einen beschaufelten Radialdiffusor geführt, danach um 180 Grad von der radialen Auswärtsrichtung in die radiale Einwärtsrichtung umgelenkt und durch eine anschließende Rückführbeschaufelung wird der Drall möglichst vollständig aus der Strömung entfernt. Über ein Hosenrohr und ein induktives Durchflussmessgerät wird das Fluid zurück in den Tank geführt. Die Pumpe ist mit optischen Zugängen versehen, die eine Erfassung der Strömungs geschwindigkeiten mit dem PIV- Verfahren und dem LDV-Verfahren ermöglichen. Pumpendaten Volumenstrom 225 m 3 /h Förderhöhe 40 m Drehzahl 2950 min -1 Antriebsleistung 45 kw Prüfstand für eine Kreiselpumpenstufe einschließlich LDV S ystem

23 22 Drittmittelprojekte Entwicklung von Korrelationen zur Beschreibung der Strömungszustände in rotierenden Systemen Das Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung von Korrelationen zur Beschreibung des Strömungsverhaltens in rotierenden Kavitäten von Gasturbinenkühlluftsystemen. Zur Beschreibung der Strömungszustände werden Daten experimenteller Untersuchungen von unterschiedlichen Prüfständen herangezogen, die im Rahmen anderer Projekte erzielt wurden. Es werden die im Hinblick auf eine möglichst verlustfreie Führung der Kühlluft wichtigen Parameter untersucht, zu denen u.a. die Temperaturänderung, die Druck- und Drallverteilung im System sowie die Ventilationsverluste zählen. Des Weiteren werden die geometrischen Einflüsse der unterschiedlichen Ausführungen der Kühlluftsysteme analysiert. Die Prüfstände bilden so genannte Vordrallsysteme für verschiedene Konzepte der Kühlluftführung in Gasturbinen ab. Für eine umfassende Beschreibung über das Strömungsverhalten in Vordrallsystemen ist eine genaue Analyse der vorliegenden Messergebnisse erforderlich. Die Auswertung der umfangreichen Daten erfolgt auf Basis einer gemeinsamen Datenbank, in der alle relevanten Größen erfasst sind. Es wird ein möglichst einheitlicher Datensatz von dimensionslosen Kenngrößen erstellt, der die allgemeine Beschreibung der komplexen Strömungszustände erlauben soll. Die Untersuchung der möglichen Einflüsse auf die erarbeiteten Kenngrößen sowie die Entwicklung von Modellen zur Beschreibung der gemessenen Einflüsse ist ein wesentlicher Teil der durchzuführenden Aufgaben. Bearbeitungsbeginn: Juni 2004 Laufzeit: 3 Jahre Finanzielle Förderung durch Siemens PGI, Mülheim Siemens V84.3A Gasturbine

24 23 Theoretische und experimentelle Untersuchung der Strömung in Einschaufelradpumpen zur Ermittlung des instationären Druckfeldes als eine schwingungsverursachende Größe In diesem Forschungsprojekt werden die hydrodynamischen Kräfte in radialen Einschaufelradpumpen durch numerische Simulation der reibungsbehafteten, räumlichen und zeitabhängigen Strömung durch Verwendung eines Navier-Stokes-Lösungsverfahrens berechnet. Zur Validierung der Ergebnisse werden zusätzlich experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dabei werden die Strömungsgeschwindigkeiten in der Pumpe mittels des PIV-Verfahrens bestimmt und die an den Wellenlagern auftretenden zeitabhängigen Kräfte gemessen. Mit Dehnungsmessstreifen versehener Steglagerträger und Kalibrierkurven Bearbeitungsbeginn: September 2002 Laufzeit: 3 Jahre Finanzielle Förderung durch die Stiftung Industrieforschung und die Firmen Wilo AG, Ruhrpumpen GmbH, Herborner Pumpenfabrik GmbH&Co. KG, DIA Pumpen GmbH

25 24 Experimentelle und numerische Untersuchung von Konstruktionsparametern zur Minderung der strömungsinduzierten Bauteilbelastungen und der Schwingungen von Kreiselpumpen Ziel des Forschungsvorhabens ist die Reduzierung der schwingungsanregenden Kräfte im gesamten Betriebsbereich von Kreiselpumpen durch eine begründete Auswahl der relevanten Konstruktionsparameter. Grundlage dafür ist die Untersuchung der zeitabhängigen Laufrad- Leitrad-Strömungswechselwechselwirkungen in einer Kreiselpumpe niedriger spezifischer Drehzahl im Hinblick auf die Beurteilung der daraus resultierenden Druck- und Geschwindigkeitsschwankungen, die zu Schwingungen der Pumpenbauteile und letztendlich zu erheblichen mechanischen Bauteilbelastungen führen. Durch die Variation der diese Wechselwirkungen stark beeinflussenden Konstruktionsgrößen wie zum Beispiel Laufradschaufelzahlen, Leitradschaufelzahlen und radialer Abstand zwischen Laufrad und Leitrad soll eine systematische Untersuchung der instationären Strömungsverhältnisse bei ausgewählten Parameterkombinationen auf numerischem und auf experimentellem Wege durchgeführt werden. Die Wertekombinationen werden dabei so gewählt, dass die in der Pumpenindustrie üblichen Größenbereiche abgedeckt und die Tendenzen für die einzelnen Parameter aufgezeigt werden können. A Schnitt A - B r 3 B Nr. Anzahl der Laufradschaufeln Anzahl der Diffusorschaufeln Anzahl der Rückführschaufeln Radialer Abstand Laufrad/Diffusor d 3 /d , , , , , , , , ,15

26 25 Wissenschaftliche Veröffentlichungen Die erarbeiteten Ergebnisse der im Berichtszeitraum durchgeführten wissenschaftlichen Untersuchungen wurden themenbezogen zu Zeitschriftenaufsätzen und zu Konferenzbeiträgen zusammengefasst. Trotz der angespannten Personalsituation gelang es durch erhöhten Einsatz aller Mitarbeiter, insgesamt 23 Konferenzbeiträge und 2 Zeitschriftenaufsätze zu veröffentlichen. 20 Konferenzbeiträge und ein Zeitschriftenaufsatz wurden vor der Annahme einem Begutachtungsverfahren durch mehrere Gutachter unterzogen. Bei 3 nationalen und 13 internationalen Konferenzen wurden die eingereichten Beiträge durch verschiedene Mitarbeiter des Lehrstuhles präsentiert. Damit konnte die Tradition des Lehrstuhles gewahrt werden, seit 10 Jahren zu der alljährlich stattfindenden IGTI Turbo Expo der American Society of Mechanical Engineering (ASME) zumindest einen Beitrag zu leisten. Auch bei weiteren Konferenzen der amerikanischen Ingenieursvereinigung wurden Beiträge präsentiert. Ein Betätigungsfeld des Lehrstuhles Strömungsmaschinen ist auch die Fluids Engineering Summer Conference, die alljährlich in einem andern amerikanischen Bundesstaat stattfindet. Auch an dem traditionsreichen International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, das bereits zum 10. Mal in Honolulu, Hawaii stattand, wurde durch zwei Beiträge des Lehrstuhles mitgewirkt. Da in den letzten Jahren auch auf dem afrikanischen Kontinent, insbesondere in Südafrika, hochwertige Tagungen zu Themen des Maschinenbaus stattfinden, wurden auch dort einige Beiträge präsentiert. Insgesamt bedeutete dies für den Lehrstuhl erhebliche Kosten für die anfallenden Reisen und Tagungsgebühren, die durch die vom Land zur Verfügung gestellten laufenden Mittel in keinem Fall zu decken waren. Dankenswerter Weise konnte ein Teil der Reisekosten durch Fördermittel der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert werden. Auch die Duisburger Universitätsgesellschaft beteiligte sich an der Finanzierung zweier Reisen. Die restlichen Kosten wurden durch den Einsatz von Allgemeinkosten aus diversen Drittmittelprojekten gedeckt. Für die Bereitstellung der Mittel sei allen Fördereinrichtungen an dieser Stelle ein herzlicher Dank ausgesprochen. Zwei nationale und drei internationale Konferenzen wurden bei der Durchführung durch eine zusätzliche Beteiligung als Leiter verschiedener Sitzungen unterstützt. Eine Podiumsdiskussion zum Thema Fluid-/Struktur-Wechselwirkungen während des International Symposium on Emerging Technologies for Fluids, Structures and Fluid-Structure Interactions, ASME Pressure Vessels and Piping Conference, PVP, San Diego wurde durch einen Panellist-Vortrag vorbereitet und unterstützt. Auf den folgenden Seiten sind Kurzfassungen der Beiträge zusammen mit Angaben über die Autoren und die Konferenz mit jeweils einem charakteristischen Bild abgedruckt.

27 26 Application of Conjugate CFD to the Internal Cooling Air Flow System of Gas Turbines D. Brillert, A.V. Mirzamoghadam, H. J. Dohmen, F.-K. Benra, O. Schneider ASME Turbo Expo 2003 June 16-19, 2003, Atlanta, Georgia, USA GT Abstract Continuous improvements of the secondary air system are basic elements to increase efficiency and power of heavy duty gas turbines. It is becoming more important to perform a precise calculation of the heat transfer characteristics and to produce accurate predictions of the air/metal temperature in the internal cooling air system. Thermal effects influences the cooling behavior and consequently the cooling efficiency and the material temperature. The material temperature influences the stresses and the creep behavior that is important for life prediction and the reliability of the engine. Furthermore, the material temperature influences the clearances and therefore, the cooling mass-flow. This paper deals with a complex internal blade feed system comprising a forced radially-inward jet-flow into a large rotating cavity and the numerical coupling of different cooling air flow passages with component heat transfer, i.e. conjugate CFD. A calculation procedure was adopted to reproduce the measured rotating main shaft temperatures from the Siemens Model V84.3A gas turbine prototype. Based on this procedure, flow and heat transfer throughout the subcavities were discussed and the shaft temperature distribution was obtained. Results indicate a strong interaction between the thermal effects of the cooler radial jet-flow and the hotter seal gap regions. Moreover, the deficiencies in the adopted calculation procedure were identified. Non-dimensional temperature distribution in the flow and in the material

28 27 Investigations of Dust Separation in the Internal Cooling Air System of Gas Turbines O. Schneider, H. J. Dohmen, F.-K. Benra, D. Brillert ASME TURBO EXPO June, 2003, Atlanta, Georgia USA GT Abstract Improvements in efficiency and performance of gas turbines require a better understanding of the internal cooling air system which provides the turbine blades with cooling air. With the increase of cooling air passing through the internal air system, a greater amount of air borne particles is transported to the film cooling holes at the turbine blade surface. In spite of their small size, these holes are critical for blockage. Blockage of only a few holes could have harmful effects on the cooling film surrounding the blade. As a result, a reduced mean time between maintenance or even unexpected operation faults of the gas turbine during operation can occur. Experience showed a complex interaction of cooling air under different flow conditions and its particle load. To get more familiar with all these influences and the system itself, a test rig has been built. With this test rig, the behaviour of particles in the internal cooling air system could be studied at realistic flow conditions compared to a modern, heavy duty gas turbine. It is possible to simulate different particle sizes and dust concentrations in the coolant air. The test rig has been designed to give information about the quantity of separated particles at various critical areas of the internal air system. The operation of the test rig as well as analysis of particles in such a complex flow system bear many problems, addressed in the previous paper. New measurements and analysis methods give new and more accurate results, which will be shown in this paper. Furthermore the inspection of the test rig shows dust deposits at unexpected positions of the flow path. Theoretical studies to characterize the flow behaviour of the disperse phase in a continuous fluid using Lagrangian Tracking were also performed. A comparison between the numerical solution and the measurements will be shown in the paper. Schematic of the test rig

29 28 Calculation of Flow Induced Vibration Amplitudes of Radial Sewage Water Pumps Friedrich-Karl Benra, Hans Josef Dohmen, Oliver Schneider ASME Pressure Vessels and Piping Conference 2003 July 20 25, 2003, Cleveland, Ohio, USA Abstract The extreme vibrations of sewage water pumps with single-blade impellers are induced mainly by interaction of the flow in the impeller and the casing. The resulting periodically unsteady forces affect the impeller and produce radial deflections of the pump shaft. These oscillations of the rotor are transferred to the pump casing and attached pipes. They can be recognized as vibrations at the bearing blocks or at the pump casing. The present contribution describes the investigation of the transient flow in a sewage water pump. The three-dimensional, viscous, unsteady flow in a pump with a single blade impeller is determined by numerical simulation. After that the hydrodynamic stimulation forces are calculated from the so known transient flow field. The forces can be classified into pressure and friction forces. The pressure forces usually exceed the friction forces on several orders of magnitude. A separate view on the fluid-wetted impeller surfaces shows that the pressure forces acting on the blade are clearly larger than the forces at the hub and at the shroud. So they are decisive for the vibration amplitudes of single-blade sewage water pumps. By a following dynamic analysis of the pump rotor using a commercial Finite-Element-Method (FEM) the resulting vibration amplitudes are determined for several operating points. With the known pressure field and the calculated vibration amplitudes the vibration behavior of sewage water pumps can be influenced during the design by changing the relevant construction parameters. Calculated natural frequencies of the pump rotor

30 29 Investigation of Internal Cooling Air Flow of Gas Turbines with Attention to Heat Transfer D. Brillert, F. K. Benra, H. J. Dohmen, O. Schneider 4 th ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference Honolulu, Hawaii, USA, July 6 11, 2003 FEDSM Abstract The cooling air in the secondary air system of gas turbines is routed through the inside of the rotor shaft. The air enters the rotor through an internal extraction in the compressor section and flows through different components to the turbine blades. Constant improvements of the secondary air system is a basic element to increase efficiency and power of heavy duty gas turbines. It is becoming more and more important to have a precise calculation of the heat transfer and air temperature in the internal cooling air system. This influences the cooling behavior, the material temperature and consequently the cooling efficiency. The material temperature influences the stresses and the creep behavior which is important for the life time prediction and the reliability of the components of the engine. Furthermore, the material temperature influences the clearances and again the cooling flow, e.g. the amount of mass flow rate, hot gas ingestion etc. This paper deals with an investigation of the influence of heat transfer on the internal cooling air system and on the material temperature. It shows a comparison between numerical calculations with and without heat transfer. Firstly, the Navier-Stokes CFD calculation shows the cooling flow physics of different parts of the secondary air system passages with solid heat transfer. In the second approach, the study is expanded to consider the cooling flow physics under conditions without heat transfer. On the basis of these investigations, the paper shows a comparison between the flow with and without heat transfer. The results of the simulation with heat transfer show a negligible influence on the cooling flow temperature and a stronger influence on the material temperature. The results of the calculations are compared with measured data. The influence on the material temperature is verified with measured material temperatures from a Siemens Model V84.3A gas turbine prototype. Flow paths of cooling and sealing air in the V84.3A gas turbine

31 30 Experimental and Numerical Analysis of the Flow Structure and Dust Separation Inside a Pre-Swirl Cooling Air System O. Schneider, H. J. Dohmen, F.-K. Benra, D. Brillert 4 th ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference Honolulu, Hawaii, USA, July 6-11, 2003 FEDSM Abstract Improvements in efficiency and performance of gas turbines require a better understanding of the internal cooling air system which provides the turbine blades with cooling air. With the increase of cooling air passing through the internal air system, a greater amount of air borne particles is transported to the film cooling holes at the turbine blade surface. In spite of their small size, these holes are critical for blockage. Blockage of only a few holes could have harmful effects on the cooling film surrounding the blade. As a result, a reduced mean time between maintenance or even unexpected operation faults of the gas turbine during operation could occur. Experience showed a complex interaction of cooling air under different flow conditions and its particle load. To get more familiar with all these influences and the system itself, a test rig has been built. With this test rig, the behavior of particles in the internal cooling air system can be studied at realistic flow conditions compared to a modern, heavy duty gas turbine. It is possible to simulate different particle sizes and dust concentrations in the coolant air. The test rig has been designed to give information about the quantity of separated particles at various critical areas of the internal air system. The operation of the test rig as well as analysis of particles in such a complex flow system bear many problems, addressed in previous papers. New theoretical studies give new and more accurate results, compared to the measurements. Furthermore the inspection of the test rig showed dust deposits at unexpected positions of the flow path, which will be discussed by numerical analysis. Numerical Model

32 31 Calculation of Hydrodynamic Forces and Flow Induced Vibrations of Centrifugal Sewage Water Pumps Friedrich-Karl Benra, Hans Josef Dohmen, Oliver Schneider 4 th ASME / JSME Joint Fluids Engineering Conference Honolulu, Hawaii, USA, July 6 11, 2003 FEDSM Abstract The interaction of the flow in the impeller and the casing of centrifugal pumps leads to periodically unsteady pressure distributions in the casing. The resulting unsteady forces affect the impeller and produce radial deflections of the pump shaft. These oscillations of the rotor are periodic with the turning frequency times the blade number. Especially pumps with small blade numbers (for example single-blade and double-blade impellers) which are often used for the sewage transport have very strong pressure changes within one impeller revolution and therefore often show extreme vibration amplitudes at the blade passing frequency. The present contribution describes the calculation of the hydrodynamic excitation forces in a sewage water pump which can be alternatively equipped with a single-blade and a double-blade impeller by numerical simulation of the three-dimensional, viscous and unsteady flow for several operating points. Subsequently the resulting vibration amplitudes are determined by a transient analysis of the pump rotor system using a commercial FEM-Method. With the so known pressure field and vibration amplitudes the vibration behavior of sewage water pumps can be influenced already during the design by changing the relevant parameters. Calculated orbit curves of a single-blade rotor Calculated orbit curves of a double-blade rotor

33 32 Investigation on the Unsteady Flow in Radial Sewage Water Pumps to Determine the Hydrodynamic Forces F.-K. Benra, H. J. Dohmen, O. Schneider Conference Proceedings of the 5 th European Conference on Turbomachinery 17 th 22 nd March 2003, Praha, Czech Republic Abstract The extreme vibrations of sewage water pumps with single-blade and double-blade impellers are induced mainly by the interaction effects of the flow in the impeller and the casing. The resulting periodically unsteady forces affect the impeller and lead to radial deflections of the pump shaft. These vibrations are transferred to the pump casing and attached pipes. The present contribution shows that by the numerical simulation of the three-dimensional, viscous, unsteady flow in sewage water pumps with single-blade and double-blade impellers the hydrodynamic stimulation forces can be calculated. In this way the forces can be influenced during the layout and the design by changing the relevant design parameters. F y [N] 0, ,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 Friction forces for a single-blade pump hub shroud blade sum -0,5-1 Fx [N] -1,5-2 -2,5 Pressure forces for a single-blade pump

34 33 Unsteady Flow in Single-Blade Sewage Water Pumps F.-K. Benra, H. J. Dohmen, O. Schneider 2 nd International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics June 2003, Victoria Falls, Zambia Paper number: BF1 Abstract The extreme vibrations of sewage water pumps with single-blade impellers are induced mainly by the interaction effects between the flow in the impeller and in the casing. The periodically unsteady forces affect the impeller and lead to radial deflections of the pump shaft. The resulting vibrations will be transferred to the pump casing and attached pipes. The present contribution shows that the hydrodynamic stimulation forces can be calculated by the numerical simulation of the three-dimensional, viscous, unsteady flow in such centrifugal pumps. Thus the forces can be influenced already during the layout and the design by changing the design parameters. Static pressure at the hub of the impeller

35 34 Flow Induced Vibrations of a Single-Blade Centrifugal Pump Benra, F.-K., Dohmen, H. J. and Sommer, M. 3 rd International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics June 2004, Cape Town, South Africa Paper number: BF1 Abstract In this paper the flow induced vibrations of a single-blade sewage water pump were determined by numerical calculation and by measurements. The flow field was known from the numerical simulation of the three-dimensional, viscous, unsteady flow in the pump by using a commercial computer code. From this flow field the periodic hydrodynamic forces were calculated. They affect the rotor of the single-blade pump and stimulate it to oscillations. To determine the influence of the stimulation forces on the dynamic behavior of the rotor, the structural mechanics of the rotor have been investigated. A dynamic time analysis for the pump rotor supplied the dynamic answer from the structural model of the rotor under the influence of the flow in the pump. The earlier calculated stimulation forces were defined as external forces and they were applied as the load on the rotor. Accordingly the resulting vibration deflections were calculated by a transient analysis of the pump rotor system using a commercial FEM- Method. Calculated deflections of the pump rotor To verify the calculated results experimental investigations were performed. The deflections of the pump rotor were measured with proximity sensors and compared to the computed amounts in a wide range of operation. The simultaneous measurement of the velocity and acceleration amplitudes of the pump casing vibrations show the effects of the vibration-energizing forces.

36 35 Theoretical and Experime ntal Investigation of the Flow Field in a 2-Stage Centrifugal Blower Benra F.-K., Dohmen H. J., Kloda M. 3 rd International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics June 2004, Cape Town, South Africa Paper number: BF2 Abstract In this contribution the description of the numerical optimization of a 2-stage centrifugal blower by CFD-Methods is presented. The blower is used to press secondary air into the exhaust manifold after the cold start of a spark-ignition petrol engine. By this method the light off time of the catalytic converter will be shortened. To reduce the power consumption of the electric drive and to minimize the construction volume of the machine, the complete blower was redesigned by means of commercial CAx-methods. First the single components of the turbomachine, the impeller, the return channel and the volute had been designed new for the required operational characteristics by standard 1-D methods. After an optimization process for these single components the complete machine consisting of a two stage rotor, a return channel between the impellers and a volute at the end of the machine had been investigated numerically by a commercial 3D Navier-Stokes solver. Beside the calculation of the flow field in the desired design point an investigation of the blower characteristic had been accomplished. To validate the numerical results experimental investigations at a prototype, manufactured by rapid prototyping had also been performed. a) Meridional section of the blower b) Photograph of prototype Geometry of the investigated blower with measurement positions