Pumpenkennlinien durch Simulationsmethoden stabilisieren

Die untersuchte Pumpenbaureihe kommt überall dort zum Einsatz, wo flüssige Medien aus großen Tiefen gefördert werden müssen. Die Anwendungsgebiete erstrecken sich von der Energieversorgung, Stichwort Geothermie, über chemische oder industrielle Anwendungen wie die Rohölförderung bis zur Wassergewinnung aus tiefen Brunnen. Die Pumpenstufen sind modular, kompakt sowie einfach aufgebaut und bestehen im Wesentlichen aus dem Stufengehäuse, das die Lagerung und den Leitapparat inkludiert, einem Laufrad und einer Welle.

Der Leitapparat (Diffusor), in dem ein Teil der im Laufrad erzeugten kinetischen Energie in statischen Druck umgewandelt wird, ist als Gusskonstruktion fix im Stufengehäuse integriert. Dieser hat zusätzlich die Aufgabe, die geförderte Flüssigkeit zum Laufradeintritt der folgenden Stufe mit minimalen Verlusten und strömungstechnisch günstig zu leiten. Über Spaltringe und Ausgleichsbohrungen werden die geschlossenen Laufräder hydraulisch entlastet, wodurch die verbleibenden Axiallasten auf ein Minimum reduziert werden können. Durch die Anpassung der Stufenanzahl – mehr als 40 Stufen sind möglich – wird die Bohrlochpumpe an die notwendige Förderhöhe, im Anwendungsfall mehr als 600 m, der jeweiligen Anwendung angepasst. Der Unterwassermotor, im Anwendungsfall mit mehr als 1,5 MW Leistung bei einem Durchmesser von weniger als
190 mm und einer Länge von etwa 25 m, sitzt im Bohrloch unter dem Ansaugstück der Pumpe und wird vom Medium gekühlt.

Diagnose: instabile Kennlinie

Ein Problem der untersuchten Pumpe bestand darin, dass diese über eine instabile Kennlinie verfügt. Das Diagramm zeigt beispielhaft die Pumpenkennline der untersuchten mehrstufigen Bohrlochpumpe, die eine stark ausgeprägte Kennlinien-Instabilität aufweist. Die Anlagenkennlinie der Tiefbrunnenförderung ist ebenfalls dargestellt. Diese Anlagenkennlinie schneidet die Pumpenkennlinie im Bereich der Kennlinien-Instabilität. Es gibt also mehrere Schnittpunkte, die mit schwarzen Kreisen markiert sind, die zu drei möglichen Betriebspunkten führen. Plötzliche Sprünge in der Fördermenge von einem möglichen Betriebspunkt zum anderen sind möglich, wenn sich die Anlagenkennlinie während des Betriebs ändert.

Auch bei jedem An- und Abfahren der Pumpe wird dieser instabile Bereich der Kennlinie durchfahren – die Folge sind schlagartige Durchflussänderungen bei jedem Start und Stopp. Wenn der Durchfluss sich schnell ändert, führt das zu Druckstößen, die die Pumpe oder andere Komponenten des entsprechenden hydraulischen Systems wie Rohre, Armaturen und Ventile beschädigen können. Daher ist eine stabile Pumpenkennline oft zwingend erforderlich beispielsweise in der petrochemischen Industrie – wie im Pumpenstandard API 610 festgehalten ist.

Ursache durch Strömungssimulation feststellen

Mittels numerischer Strömungssimulation sollte die bestehende Pumpe untersucht und mögliche Ursachen für die instabile Kennlinie identifiziert und behoben werden. Gleichzeitig galt es, zu analysieren, ob der Wirkungsgrad verbessert werden kann. Im Zuge der Optimierung durften die Hauptabmessungen der Pumpe allerdings nicht verändert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass in bestehenden Anlagen die Pumpen 1:1 gegen das verbesserte Pumpendesign getauscht werden können.

Um möglichst genaue Simulationen zu erreichen, ist ein extrahiertes Fluidvolumen mit vielen Details notwendig, das im Anschluss numerisch vernetzt wird. Das Laufrad und der Diffusor wurden mittels Reverse-Engineering neu aufgebaut und vernetzt. So konnte die Schaufeloberfläche des Laufrads und der Leitschaufeln extrahiert und in einem CAD-Tool speziell für Turbomaschinen aufgebaut werden, um die Schaufelform während des Verbesserungsprozesses schnell und einfach modifizieren zu können.
Schlussendlich wurde somit ein möglichst exaktes Simulationsmodell der realen Pumpe erstellt und die damit gewonnen Simulationsergebnisse konnten mit vorhandenen, am Prüfstand verifizierten Messergebnissen verglichen werden. Der Abgleich von Simulation und Messung stellt sicher, dass die mittels 3D-Computational-Fluid-Dynamics-Methoden (CFD) berechneten Ergebnisse und die daraus abgeleiteten Maßnahmen mit der Realität übereinstimmen.

Schwachstellen identifizieren und ausbessern

Die Verbesserung der eigentlich mehrstufigen Kreiselpumpe wurde dann hauptsächlich in einem vereinfachten Simulationsmodell durchgeführt, um den Rechenaufwand zu minimieren. Das Laufrad beziehungsweise dessen Schaufelform wurden manuell verbessert, was eine entsprechende Expertise erfordert. Indem das berechnete Strömungsfeld analysiert wird, können Schwachstellen der Schaufelform identifiziert und durch Geometriemodifikationen idealerweise verbessert werden. Iterativ wird so eine an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste Schaufelform gefunden.

Eine automatisierte Geometrie-Optimierung erfordert hingegen ein vollständig parametrisiertes CAD-Modell der ausgewählten Komponenten und ausreichend Rechenkapazität für die vielen erforderlichen Simulationsschleifen. Im vorliegenden Anwendungsfall wurde für den Diffuser solch ein parametrisches Modell mit etwa 25 Freiheitsgraden erstellt. Die Lösungsfindung erfolgte im Zuge einer Mehrzieloptimierung auf Basis von Evolutionsstrategien. Um den Berechnungsaufwand zu verringern, wurde ein mathematisches Metamodell der Optimierungsziele auf Basis der vorhandenen Freiheitsgrade erstellt.

Durch umfangreiche Analysen konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden:

• Die Stabilität der Pumpenkennlinie hängt wesentlich von einem perfekten Zusammenwirken von Laufrad und Diffusor ab. Beide Komponenten müssen aufeinander abgestimmt werden und sollten miteinander verbessert werden. Ein kurzer Abstand zwischen Diffusor und dem Laufrad der nachfolgenden Stufe wirkt ebenfalls positiv auf die Kennlinienstabilität.
• Die verbesserte Pumpe besitzt sieben Laufschaufeln und elf Diffusorschaufeln, als Ergebnis des parametrischen Optimierungsmodells.
• Der Außendurchmesser der Stufe hat bei allen untersuchten Betriebspunkten einen großen Einfluss auf die Förderhöhe und den Wirkungsgrad, und es zeigt sich, je größer, desto besser. Durch die Bohrlochanwendung kann der Gehäuse-Außendurchmesser jedoch nicht vergrößert werden.
• Es sollte in jeder Iterationsschleife berücksichtigt werden, dass geometrische Einschränkungen bei der Herstellung der Schaufelform gelten.

Der Vergleich der Ausgangsgeometrie ...

... mit der verbesserten Variante ...

... zeigt die erreichten Ergebnisse sowie das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten.

Ergebnis: Schaufelform mit stabiler Kennlinie

Durch einen hybriden Ansatz aus manueller und automatisierter Optimierung konnten das Laufrad und der Diffusor sukzessive verbessert werden. Alle konstruktiven Vorgaben mussten dabei eingehalten werden. Im Zuge der Optimierung wurde eine Schaufelform mit stabiler Kennlinie auf Basis der CFD-Simulationen gefunden. Dies gelang, indem Sekundärströmungseinflüsse wie Strömungsablösungen und Verwirbelungen im Teillastbereich minimiert wurden – zu erkennen am dargestellten Vergleich des Strömungsfeldes im Meridianschnitt im Teillastbetrieb bei 50 % Qopt. An diesem Betriebspunkt ist die Strömung im bestehenden Laufraddesign bereits abgelöst, wohingegen ein Strömungsabriss durch das neue Design verhindert werden konnte. Abschließend wurde die durch CFD-Simulationen verbesserte Pumpe mittels Messergebnissen validiert.

Durch den beschriebenen, simulationsunterstützten Optimierungsansatz lassen sich zukünftig auch andere Pumpen in ein- oder mehrstufiger Ausführung auf ähnliche Art und Weise verbessern. Basierend auf den daraus abgeleiteten Optimierungsmaßnahmen ist es nicht nur möglich, die Effizienz zu erhöhen und den Energiebedarf zu senken – wenn es gefordert ist, kann auch das Kavitationsverhalten verbessert und zumeist auch ein kompakteres und somit günstigeres Pumpendesign gefunden werden.