Analyse hochfrequenter Druckpulsationen einer Kreiselpumpe und deren Übertragungsverhalten im Rohrleitungssystem

Abstract

Fördervorgänge mit Kreiselpumpen sind prinzipbedingt durch Rotor-Stator-Interaktion mit Druckpulsationen verbunden. Diese Druckschwankungen sind in der Lage unerwünschte Schwingungen anzuregen und können als Qualitätskriterium des Förderstroms einer Kreiselpumpe angesehen werden. Am Versuchsstand des Institutes für Energietechnik, wo Versuche an diversen hydraulischen Maschinen durchgeführt werden, kommt eine Kreiselpumpe (Qn = 600 m^3/h, Hn = 85 m und nn = 1475 1/min) als Versorgungspumpe zum Einsatz. Im Rahmen dieser Diplomarbeit sollen die entstehenden Pulsationen bei Schaufelpassierfrequenz an dieser Pumpe quantifiziert und in weiterer Folge die Ausbreitung jener Pulsationen durch das Rohrleitungssystem anhand zweier Versuchsanordnungen untersucht werden. Die hochfrequenten Pulsationen bei Schaufelpassierfrequenz belaufen sich über weite Betriebsbereiche der Versorgungspumpe auf 0,5-1,5% der Förderhöhe. Es kann weder ein direkter Zusammenhang zwischen der Drehzahl noch dem Durchfluss zur Amplitude der an der Versorgungspumpe entstehenden hochfrequenten Druckpulsationen erkannt werden. Jedoch ist eine Tendenz ersichtlich, dass jene Amplituden bei jeder Messreihe am jeweils größtmöglichen Durchfluss in Abhängigkeit der Drehzahl, ihr Maximum aufweisen. Das sind jene Betriebspunkte, an denen die Pumpe im Überlastbereich operiert. Bei Erreichen der Überlast steigen die hochfrequenten Druckpulsationen bei Schaufelpassierfrequenz stark an und erreichen bis zu 6% der Förderhöhe. Im Durchschnitt belaufen sich diese am Betriebspunkt maximalem Durchflusses auf etwa 4,3% der Förderhöhe. Nahe am Auslegungspunkt der Maschine, bei einer Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute und einem Durchfluss von 180 Liter pro Sekunde belaufen sich die hochfrequenten Druckschwankungen bei Schaufelpassierfrequenz auf 1,3% der Förderhöhe. Die ermittelten Größenordnungen der Pulsationen stimmen gut mit in der Literatur zu findenden Werten überein. Am Pelton-Turbinenversuchsstand beläuft sich die Amplitude bei Schaufelpassierfrequenz an der Messstelle in der Pumpengrube im Durchschnitt noch auf etwa 55% des Wertes an der Versorgungspumpe. Am Universalversuchsstand ist diese Pulsation bei Schaufelpassierfrequenz an der Messstelle in der Pumpengrube an vielen Betriebspunkten bereits zu stark abgeklungen, um nachgewiesen werden zu können. Sofern diese erkennbar ist, beträgt deren Amplitude weniger als 26% des Wertes an der Versorgungspumpe. Der Unterschied in den Versuchsanordnungen ist plausibel, da die Messstelle in der Pumpengrube am Pelton-Turbinenversuchsstand deutlich näher an der Versorgungspumpe liegt und auf dem Weg dorthin weniger Störstellen von der Strömung passiert werden müssen. Es kann kein Einfluss von Strömungsgeschwindigkeit oder Druckniveau auf die Ausbreitung hochfrequenter Druckpulsationen bei Schaufelpassierfrequenz erkannt werden. Bei keiner der Messreihen kann ein Einfluss der Schaufelpassierfrequenz an der oberwasserseitigen Messtelle nachgewiesen werden. Es ist mit hoher Sicherheit davon auszugehen, dass diese Druckpulsationen am Oberwasser der beiden Versuchsstandanordnungen nicht relevant sind. Neben den Fragestellungen betreffend der hochfrequenten Pulsationen werden noch QH-Kennlinien bei unterschiedlichen Drehzahlen aufgenommen und die Rohrleitungsverluste der Anlage anhand der Versuchsanordnung des Universalversuchsstandes untersucht.

Pumping processes with centrifugal pumps are associated with pressure pulsations due to rotor-stator interaction. These pressure fluctuations are able to arouse undesired vibrations and can be taken as a quality criterion for the flow of a centrifugal pump. A centrifugal pump (Qn = 600 m3/h, Hn = 85 m and nn = 1475 1/min) is used as a supply pump at the experimental rig of the Institute for Energy Technology, where tests are carried out on various hydraulic machines. As part of this thesis, the pulsations that develop at the blade passing frequency of this pump are to be quantified and the propagation of these pulsations through the pipe system are to be investigated using two test arrangements.The high-frequency pulsations at blade passing frequency represent 0.5-1.5% of the pumping head over wide operating ranges of the supply pump. Neither a direct connection between the rotational speed nor the flow rate to the amplitude of the high-frequency pressure pulsations generated at the supply pump can be identified. However a tendency can be seen that those amplitudes have their maximum in each series of measurements at the respective maximum flow rate depending on the rotational speed. These are the operating points at which the pump operates in the overload range. When the overload is reached these high-frequency pressure pulsations rise sharply and reach up to 6% of the head. On average these amount to around 4.3% of the pumping head at the operating point of maximum flow. Close to the design point of the machine at a rotational speed of 1500 rpm and a flow rate of 180 liters per second, the high-frequency pressure fluctuations at blade passing frequency represent 1.3% of the head. The magnitudes of the pulsations determined agree well with the values found in the literature.During operation on the Pelton turbine test rig the amplitude at blade passing frequency at the measuring point in the pump pit still averages around 55% of the value at the supply pump. During operation on the universal test rig this pulsation at the blade passing frequency at the measuring point in the pump pit has on many operating points decayed to much in order to be detected. If it can be detected it amounts to less than 26% of the amplitude at the supply pump. The difference in the test setup is plausible, since the measuring point in the pump pit at the Pelton turbine test stand is much closer to the supply pump and the flow has to pass fewer disruptive points on the way there. No influence of flow velocity or pressure level on the propagation of high-frequency pressure pulsations at blade passing frequency can be identified. An influence of the blade passing frequency at the upstream measuring point can be determined in none of the measurement series. It can be assumed with a high degree of certainty that these pressure pulsations are not relevant at the upstream measuring points of the two test stand configurations. In addition to the questions regarding the high-frequency pulsations the pump characteristics curves are recorded at different rotational speeds and the pipe losses of the system are examined using the arrangement of the universal test stand.