AFC: Optimierung von Pumpen und Ventilatoren

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Entwurf und Optimierung einer Pumpe

Zentrales Entwurfsziel ist, dass die Pumpe die geforderte Kennlinie im Betrieb liefert. Mitunter reicht ein Betriebspunkt aus, oft wird aber ein grösserer Betriebsbereich durch die Pumpe abzudecken sein. Zweites Kriterium ist die maximale Leistungsaufnahme, die eine energetische Randbedigung für den Entwurf darstellt.

Damit muss ein multikriterieller Entwurf durchgeführt werden, der aufgrund der Komplexität der beschriebenen Phenomäne nur iterativ in einem Optimierungsprozess durchgeführt werden kann.

Für den Pumpenentwurf aus dem SHK-Bereich wurden folgende Kriterien gefordert:

Vorgegebene Kennlinie muss erreicht werden (Drehzahlregelung möglich)

Max. Leistungsaufnahme im gesamten Kennlinienbereich darf nicht überschritten werden

Wichtige Entwurfsparameter waren:

Laufradgeometrie (Schaufelwinkel, Durchmesser, Konturen,…)

Spiralgehäusegeometrie (Querschnittsentwicklung und -form, Umschlingungswinkel,…)

Austrittsdiffusorgeometrie (Öffnungswinkel,…)

Die schnelle Überführung der Entwurfsgeometrie in die Simulationsumgebung wird erstens durch entsprechende Exportschnittstellen gewährleistet und zweitens durch eine quasiautomatische skriptgesteuerte Vernetzung. Damit wird innerhalb von wenigen Minuten ein Berechnungsnetz mit hoher Qualität erzeugt, das in der Simulation benutzt werden kann.

Im Simulationstool sind die Randbedingungen entsprechend dem zu untersuchenden Betriebsbereich einzustellen und die eigentliche Simulation zu starten. Ergebnis sind neben Kennlinien auch Strömungsgrössen im gesamten Förderbereich, die z.B. Messmethoden nur schwer oder gar nicht zugänglich sind.

Damit ist die Möglichkeit gegeben, die komplexen Vorgänge besser zu verstehen und lokale Defizite des Entwurfs zu identifizieren.

Der Entwurfsprozess der Pumpe umfasste einen Erstentwurf und 6 Optimierungszyklen. Die per Simulation bestimmten Kennlinien haben folgendes Aussehen:

Mit den Entwürfen 5 und 6 liegen Pumpengeometrien vor, die in einem mittleren Drehzahlbereich einen sehr guten Wirkungsgrad aufweisen, die (mit Drehzahlreglung, hier nicht dargestellt) die geforderte Kennlinie im gesamten Bereich erreichen und die dabei in der maximalen Leistungsaufnahme wie gefordert begrenzt sind.

Fazit: effizientes Instrument

Richtig eingesetzt, ist die numerische Strömungssimulation CFD zusammen mit parametrisierten Entwurfswerkzeugen heute das effizienteste Instrument zur Beschleunigung des Produktentwicklungszyklus und zur Reduktion physikalischer Prototypen. Eine signifikante Reduktion des «Time to Market» und die Erreichung höherer Wirkungsgrade ist das Ergebnis.

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