Trend zur Größe per Simulation beherrschen

Strömungstechnische Simulationen im Auslegungsprozess von Pumpen

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20.10.2015 Der Trend zu immer größeren Anlagen ist auch bei Fördersystemen zu beobachten: Um bestehende Pumpenkonstruktionen schnell vergrößern und skalieren zu können, sind deshalb erweiterte Konstruktionsmethoden notwendig. Doch immer häufiger kommen dabei Pumpenteststände an ihre Grenzen, wenn die großen Pumpen auf ihre Leistungsfähigkeit und ihren Wirkungsgrad vermessen werden sollen. Hier bietet die numerische Strömungsmechanik einen Ausweg.

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Entscheider-Facts Für Planer

  • Bei großen Pumpen werden Leistungsanalysen und Kontrollen erst nach Einbau während des Erstbetriebes ermittelt. Die Konstruktion muss daher für die Anwendung in der Produktion von Anfang an fehlerfrei sein.
  • Mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik (CFD) ist es möglich, die hydraulische Förderpumpen-Charakteristik virtuell vor der Auslieferung eines Prototyps zu analysieren.
  • In der Praxis wurde gezeigt, dass bei den größeren Pumpen transiente Simulationsergebnisse von den Messwerten bei den größeren Pumpen lediglich drei bis vier Prozent abweichen.

Die komplexere Konstruktion sedimentbeladener Pumpen im Vergleich zu „einfachen“ Wasserpumpen beinhaltet verschiedene ingenieurtechnische Herausforderungen, wie sie häufig auch in der Chemie- und verfahrenstechnischen Industrie anzufinden sind. Solche Förderpumpen sollen in der Regel ein wässriges Fluid mit einer variablen Mischung von zusätzlichen Feststoffen fördern können. Zu derartigen Mischungen mit höherer Dichte gehören beispielsweise Schlamm, feiner Sand, grober Sand, Kies, Steine bis hin zu Geröll. Die zu pumpende Mischung verhält sich dabei dann nicht mehr wie ein homogenes Fluid aus einer Komponente, da sich Viskosität und Fließeigenschaften dramatisch verändern können. Die Feststoffe setzen sich unter Umständen am Boden ab und gleiten in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit als Sumpfmischung durch Rohrleitungen.

Eine andere Herausforderung neben der zweiphasigen Förderung ist der schnelle Verschleiß an den Förderpumpen durch Abrasion. Weitere Risiken beim zuverlässigen Pumpenbetrieb sind durch Feststoffe blockierte Pumpenräder oder sogar gebrochene Rotorflügel. Der dann nötige Austausch von Pumpenkomponenten lässt die Lebenszeitkosten schnell ansteigen und reduziert die Effizienz des ungestörten Betriebes.

Beim Pumpenhersteller Dredge Yard wurde 2012 mit der Entwicklung neuer Förderpumpen mit einem Durchmesser von 200 bis 1.400 mm begonnen – den bis dato größten Pumpen im Bereich der industriellen Bagger-Pumpen. Um Abrasion möglichst lange entgegenzuwirken, werden viele Pumpenteile aus hochfestem Chromstahl mit einer Härte von 60 HRC gefertigt. Dieses Material besitzt leider in der Regel große Ausdehnungskoeffizienten und neigt daher unter Umständen zu Gehäusekontakt und -beschädigung im Betrieb. Aus diesem Grund werden einige Förderpumpen mit einem weiteren äußeren Gehäuse gefertigt (Doppelwandpumpe).

Solch große Pumpen werden in der Regel in Serien hintereinander verbaut, um einen Enddruck von 30 bar nach der dritten Pumpenstufe zu erreichen. Die Pumpen wiegen nach komplettem Zusammenbau oft mehr als 100 Tonnen. Diese Größe, das enorme Gewicht und der Strömungswiderstand dieser Bauteile stellen beim Entwurf große Herausforderungen an die Konstruktionsingenieure.

Heftausgabe: Oktober 2015
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Über den Autor

Basel Yousef, Vorstandsvorsitzender bei Dredge Yard, Yanjun Xia, Berechnungsingenieurin bei Simerics, Dirk Ortlieb, Geschäftsführer Simerics
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