Zwitterhydraulik
Bei dem Projekt Zwitterhydraulik handelt sich es um die Entwicklung einer mehrstufigen Kreiselpumpe mit minimalem Durchmesser. In Abbildung 1 sind schematisch eine konventionelle Pumpenstufe und eine Zwitterstufe dargestellt. Während bei einer herkömmlichen Kreiselpumpenstufe der Stufendurchmesser durch den Leitapparat, bzw. den Diffusor bestimmt wird (DST≈1,3-1,5 *DLR), entspricht bei der Zwitterstufe der Stufendurchmesser im besten Fall dem Laufraddurchmesser (DST≈ DLR).
Es gibt mehrere Gründe für die Entwicklung einer solchen Hydraulik. Zum einen werden durch den kleineren Stufendurchmesser die Werkstoffkosten reduziert. Zum anderen haben vorherige Untersuchungen zur Zwitterhydraulik am Lehrstuhl schon ergeben, dass die Zwitterhydraulik leiser und schwingungsärmer ist als eine herkömmliche Stufe. Auch hat die Zwitterhydraulik positiven Einfluss auf den Axialschub. (Dissertation Weiten 2006) Obwohl der Wirkungsgrad der Zwitterhydraulik schon erheblich verbessert werden konnte (Dissertation Roclawski 2008), entspricht er noch nicht dem einer Kreiselpumpenstufe.
Um den Wirkungsgrad weiter zu verbessern und um Zufallsergebnisse auszuschließen wird die Entwicklung deshalb mit dem Optimierer ModeFrontier unterstützt. Basierend auf gängigen Auslegungsverfahren werden Basis Lauf- und Leiträder entwickelt. Eine Schwierigkeit hierbei stellt der Meridianschnittverlauf von Lauf- und Leitrad dar.
Bei dem herkömmlichen radialen Laufrad erfolgt die Strömungsausschüttung in radiale Richtung. Die Abströmung des Zwitterlaufrades ist hingegen axial gerichtet. Somit ergibt sich ein S-Schlag im Meridianschnitt des Zwitterlaufrads.
Der Leitapparat der herkömmlichen Pumpenstufe besteht aus mehreren Bauteilen. Die Strömung wird zunächst im Diffusor verzögert, in einem weiteren Schritt um 180° umgelenkt und dann durch ein Leitrad zurück auf einen geringeren Durchmesser in axiale Richtung gebracht. Diese Schritte (Verzögern, Umlenken, Drall aus der Strömung nehmen) müssen bei der Zwitterhydraulik in einem Bauteil erfolgen.
Die Optimierung von Lauf und Leitrad erfolgen iterativ, da beide Bauteile in der Pumpe zusammenwirken und nicht unabhängig voneinander betrachtet werden können. Neben der Optimierung mit ModeFrontier werden separate Strömungssimulationen durchgeführt, die es ermöglichen Strömungsphänomene der Hydraulik zu studieren, um so bessere Erkenntnisse über Geometrieeinflüsse auf die Strömung und die Bedeutsamkeit geometrischer Parameter zu gewinnen.
Zur Validierung der Ergebnisse werden Messungen der Kennlinien sowie Hitzdrahtuntersuchungen im Luftversuch durchgeführt.