UNIVERSITÄTSBIBLIOTHEK

A Design Procedure for Low and High Head Inducers

  • The present thesis describes the development and the evaluation of a design procedure of inducer with arbitrary meridional and blade shape. This special type of pump impeller, which is usually mounted upstream of a main pump impeller, is employed in many applications demanding the realization of low NPSH values. An inducer basically increases suction performance by producing mostly a small pressure rise while allowing for a greater degree of cavitation, that is the formation of vapor bubbles, at its inlet than a conventional pump impeller. This is achieved by specially designed blade channels promoting the collapse of the produced vapor bubbles. The main focus of the present thesis is the description of the design method, which enables the generation of the three-dimensional blade geometry. The method is based on a parametric representation of the geometry considering the particular requirements for inducers and the publicly available design practice. Within this approach the sequence of design steps is adapted from the classical design process of mixed flow and radial impellers. As a consequence leading and trailing edge blade angles are determined based on simplifications and certain empirical assumptions for multiple blade sections and are used to design the blade camber curves. Along the camber curves the blade profile is generated following a thickness distribution that has to be prescribed. A special feature of the newly developed method is that arbitrary shaped, asymmetric thickness distributions can be realized. Due to the detailed description of the design and calculation steps a fully comprehensible procedure is outlined, which covers the development of inducer bladings from an initial set of duty parameters to the final three-dimensional blade geometry. The components involved in the design procedure are tested by designing two exemplary inducers and they are assessed by comparison with numerical simulations. Functioning of these inducers in the real application is finally demonstrated with water tests. The main result of this dissertation is a design software for inducers allowing for the design of three-dimensional, asymmetrically profiled bladings. The developed software is free of commercial third-party libraries. As a consequence a program is available that can be modified and extended as desired. As potential future development goals inducers with splitter and tandem blades as well as an integrated design of inducer and impeller are proposed.
  • Die vorliegende Dissertation beschreibt die Entwicklung und Erprobung einer Auslegungsprozedur für Inducer mit beliebiger Meridian- und Schaufelgeometrie. Dieser spezielle Typ eines Pumpenlaufrades, der in der Regel stromauf des eigentlichen Laufrads angeordnet ist und deshalb auch als Vorsatzläufer bezeichnet wird, kommt in vielen Anwendungen zum Einsatz, in denen niedrige NPSH-Werte realisiert werden müssen. Ein Inducer erhöht die Saugfähigkeit der Pumpeneinheit, indem er einen meist geringen Vordruck generiert und dabei bedingt durch seine Formgebung ein wesentlich höheres Ausmaß an Kavitation, d.h. das Entstehen von Dampfblasen, an seinem Eintritt toleriert als ein konventionelles Pumpenlaufrad. Dieser Effekt wird durch speziell gestaltete Schaufelkanäle erzeugt, die den Zerfall von entstehenden Dampfblasen begünstigen. Kern der vorliegenden Arbeit ist daher die Beschreibung einer parametrischen Auslegungsprozedur, die eine Generierung der dreidimensionalen Schaufelgeometrie ermöglicht. Das Verfahren beruht auf einer parametrischen Abbildung der Geometrie unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen an Inducer und der bestehenden, öffentlich zugängigen Auslegungspraxis. Die Abfolge der Auslegungsschritte und den entsprechenden Berechnungen ist dabei der klassischen Auslegung von Diagonal- und Radialrädern nachempfunden. Das bedeutet insbesondere, dass die Ein- und Austrittswinkel auf verschiedenen Schaufelschnitten basierend auf vereinfachten und zum Teil empirischen Annahmen bestimmt und zur Gestaltung der Schaufelskelettlinien verwendet werden. Entlang dieser Skelettlinien wird das Schaufelprofil gemäß einer zu definierenden Dickenverteilung erzeugt. Eine Besonderheit der neu entwickelten Methode besteht dabei darin, dass beliebig geformte, asymmetrische Dickenverteilungen realisiert werden können. Durch die detaillierte Darstellung der einzelnen Auslegungs- und Berechnungs\-schritte wird ein vollständig nachvollziehbares Vorgehen dargelegt, welches die Entstehung der Inducerbeschauflung, ausgehend von vorgegebenen Betriebsdaten bis hin zur dreidimensionalen Schaufelgeometrie abdeckt. Die einzelnen Komponenten der Auslegungsprozedur werden anhand der Auslegung zweier Beispielinducer erprobt und durch den Vergleich mit Strömungssimulationen bewertet. Die Funktionsfähigkeit dieser Inducer in der realen Anwendung wird schließlich im Wasserversuch demonstriert. Ergebnis dieser Dissertation ist eine Auslegungssoftware für Inducer, die das Erzeugen einer dreidimensionalen, assymetrisch profilierten Beschaufelung ermöglicht. Das Programm ist frei von kommerziellen Bibliotheken von Fremdanbietern, sodass es in Zukunft beliebig modifiziert und erweitert werden kann. Als mögliche Weiterentwicklungsziele werden insbesondere Inducer mit Splitter- und Tandembeschaufelungen sowie die integrierte Auslegung von Inducer und Laufrad angesehen.
Metadaten
Author:Matthias Mohr
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-64442
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6444
Advisor:Martin Böhle
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Publication Date:2021/06/29
Date of first Publication:2021/06/29
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2020/12/08
Date of the Publication (Server):2021/06/29
Number of page:VIII, 186
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)