Beitrag zur Bestimmung der Wirkungsgrade einer Kreiselpumpe durch theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen

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1 Beitrag zur Bestimmung der Wirkungsgrade einer Kreiselpumpe durch theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Alberto Tamm aus Concepción, Chile Berichterstatter: Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. B. Stoffel Prof. Dr.-Ing. G. Kosyna Tag der Einreichung: 6. November 2002 Tag der mündlichen Prüfung: 18. Dezember 2002 Darmstadt 2002 D 17

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3 Berichte aus der Strömungstechnik Alberto Tamm Beitrag zur Bestimmung der Wirkungsgrade einer Kreiselpumpe durch theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen. D 17 (Diss. TU Darmstadt) Gedruckt mit Unterstützung des Deutschen Akademischen Austauschdienstes Shaker Verlag Aachen 2003

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Tamm, Alberto: Beitrag zur Bestimmung der Wirkungsgrade einer Kreiselpumpe durch theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen / Alberto Tamm. Aachen : Shaker, 2003 (Berichte aus der Strömungstechnik) Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2002 ISBN Copyright Shaker Verlag 2003 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Turbomaschinen und Fluidantriebstechnik der Technischen Universität Darmstadt. Dem Leiter des Fachgebiets, Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernd Stoffel, möchte ich für die wertvollen Anregungen, die konstante Unterstützung und Bereicherung meiner Entwicklungsphase als Ingenieur hier in Deutschland ganz herzlich danken. Meinen besten Dank auch an Herrn Prof. Dr.-Ing. Günter Kosyna für die Übernahme des Korreferats und die kritische Durchsicht der Arbeit. Meine Dankbarkeit gilt auch allen Mitarbeitern und Mitarbeiterinnen des Fachgebiets, insbesondere Dr.-Ing. Gerhard Ludwig, Stephan Meschkat, Marc Gugau und Miriam Roth, für eine Vielzahl von fruchtbaren Gesprächen und Diskussionen. Für die kritische und ausführliche Durchsicht dieser Arbeit und der grammatikalischen und sprachlichen Korrektur besonderen Dank an Dr.-Ing. Ralph Striedinger. An alle Studenten, die mit Studienarbeiten und Diplomarbeiten zu dem Forschungsprojekt beigetragen haben, vielen Dank. Ich bedanke mich beim Forschungsfond VDMA und der AiF für die Bereitstellung der finanziellen Mittel des Forschungsvorhabens und beim Arbeitskreis EtaIV für die anregenden Diskussionen in den entsprechenden Sitzungen. Schließlich möchte ich einen besonderen Dank an den DAAD (Deutscher Akademischer Auslands Dienst) aussprechen, der die Voraussetzung für die Durchführung dieser Arbeit durch finanzieller Unterstützung geschaffen hat. Ich versichere an Eides Statt, dass ich, abgesehen von den genannten Anregungen und Hilfsmittel, die Arbeit selbständig durchgeführt habe. Darmstadt, 05. November 2002 Alberto Tamm Gedruckt mit Unterstützung des Deutschen Akademischen Austauschdienstes

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Wissenschaftliche Problemstellung Zielsetzung Lösungsweg zur Erreichung des Ziels Stand der Forschung Übersicht Durchgeführte Arbeiten am TFA Theoretische Untersuchungen Vorgehensweise Beschreibung der Geometrie einer Kreiselpumpe Geometrie des Saugstutzens Geometrie des Laufrades Geometrie des schaufellosen Diffusors Geometrie des Spiralgehäuses Geometrie des Kegeldiffusors Berechnung beliebiger Geometrien Notwendige Programmanpassungen Geometrie der ns20 Versuchspumpe Berechnung des hydraulischen Wirkungsgrads Modelle zur Berechnung der Reibungsverluste Hydraulische Verluste im Saugstutzen Hydraulische Verluste im Laufrad Hydraulische Verluste im schaufellosen Diffusor Hydraulische Verluste im Spiralgehäuse Hydraulische Verluste im Kegeldiffusor Hydraulischer Wirkungsgrad Berechnung des Sekundärwirkungsgrads Radseitenreibungsverlust Volumetrischer Verlust Sekundärwirkungsgrad Berechnung des mechanischen Wirkungsgrads Berechnungen mit Etamax Berechnungen in Pumpen mit optimaler Geometrie Berechnungen in Pumpen mit einer angepassten Geometrie Berechnungen mit verschiedenen Ansätzen Berechnungen im Radseitenraum Numerische Untersuchungen Grundlagen für die numerische Behandlung Grundgleichungen der Strömungsmechanik Turbulenzmodellierung Numerische Ansätze für rotierende Systeme Diskretisierung des Lösungsverfahren Diskretisierung der Geometrie Randbedingungen Strömung in der Versuchspumpe Vergleich der Ansätze für rotierende Systeme Vergleich der Turbulenzmodellierung Einfluss der Oberflächenrauheit Einfluss des Spaltvolumenstroms Einfluss der Messstelle am Laufradaustritt Strömung im Radseitenraum i

8 5 Experimentelle Untersuchungen Kreiselpumpenprüfstand Anlage Versuchspumpe (ns20 Pumpe) Lagerung und Dichtung der Versuchspumpe Radseitenraumprüfstand Messtechnik Vorgehensweise bei den Kennlinienmessungen Bestimmung des Gesamtwirkungsgrads Bestimmung des inneren Wirkungsgrads Bestimmung der hydraulischen Wirkungsgrade Bestimmung der Sekundärwirkungsgrade Variation der Spaltweite Variation der Entlastungsart Variation der Oberflächenrauheit Fehlerbetrachtung Fehlerabschätzung der Messkette Bewertung der Fehlergrößen Messergebnisse Kennlinienmessungen bei hydraulisch glatten Oberflächen Kennlinienmessungen bei rauen Oberflächen Sondenmessungen zwischen Laufrad und Spirale Untersuchungen zum Radseitenreibungsmoment Einstellung der Randbedingungen Einfluss der Dichtspaltweite und der Oberflächenrauheit Bestimmung der Teilwirkungsgrade Vergleich und Bewertung der Untersuchungsmethoden Theoretische und experimentelle Ergebnisse Vergleich an der Versuchspumpe Vergleich am RSR-Prüfstand Numerische und experimenteller Ergebnisse Vergleich an der Versuchspumpe Vergleich am RSR-Prüfstand Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis ii