Loading…
The influence of impeller designs on the performance of a vortex pump
Gerlach, Angela
Vortex pumps are particularly suitable for the transportation of solids-containing fluids. Hence, vortex pumps are applied to a wide range of operation domains, from wastewater transport to food processing. Characteristics of vortex pumps are their recessed, semi-open impeller and their enlarged gap between the impeller and the casing. These features strongly reduce the risk of clogging compared to conventional centrifugal pumps. Nevertheless, vortex pumps have been relatively inefficient. Improving the efficiency of vortex pumps therefore seems highly desirable. Yet, the operating principle of a vortex pump is poorly understood. As a consequence, it is unclear how exactly vortex pumps can be optimized. This dissertation therefore investigates to what extent the geometry of the impeller influences the characteristics and the operation principle of a vortex pump. Overall, it can be shown that the operation principle of vortex pumps resembles that of conventional centrifugal pumps with a semi-open impeller. Building on this insight, the dissertation proposes a method to optimize the impeller design of vortex pumps.
In more details, in a series of experimental studies this dissertation investigates the influence of individual design parameters of the impeller on the characteristics for clear water operation, on the flow field in the front chamber, and on the clogging behavior. Both, the clear water characteristics as well as the flow field in the front chamber clearly depend on the impeller design. Thus, various geometry parameters of the impeller under clear water operation are tested. The findings suggest that an impeller with highest head and highest efficiency also achieves the highest tangential and the highest radial flow velocities in the front chamber. Regardless of the impeller design, the tangential flow velocity always appears to be the main component in the flow as opposed to the radial velocity component. This means that for all the tested impellers the fluid predominantly rotates in the front chamber and it does not significantly contribute to the pumping process. An evaluation of the clogging behavior shows that an impeller with highest head and highest efficiency under clear water operation can pump a substantial proportion of solids. Such an impeller, however, is significantly less efficient under clogging conditions and it may accumulate solids near the hub. Hence, the common approach of optimizing a vortex pump by means of clear water tests could be misleading given that vortex pumps predominately operate under clogging conditions. That is, an impeller, which achieves optimal results under clear water conditions, may be less efficient for transporting solids-containing fluids. In order to avoid clogging impellers with a low head and a low efficiency under clear water operation could be altogether preferable.
Vortexpumpen werden zu Förderung von feststoffhaltigen Fluiden eingesetzt, die beispielsweise in der Abwassertechnik und Lebensmitteltechnik auftreten. Das halboffene, zurückgesetzte Laufrad und der daraus resultierende große vordere Spalt verringern die Verstopfungsgefahr von Vortexpumpen im Vergleich zu konventionellen Kreiselpumpen. Der Wirkungsgrad von Vortexpumpen ist jedoch vergleichsweise gering. Eine konstruktive Anpassung zur Optimierungen des Wirkungsgrades von Vortexpumpen erscheint daher wünschenswert. Inwiefern eine solche Optimierung möglich ist, muss jedoch geklärt werden, da das Wirkprinzip von Vortexpumpen derzeit ungeklärt ist. Diese Dissertation untersucht daher den Einfluss der Laufradgeometrie auf die Fördercharakteristik und das Wirkprinzip von Vortexpumpen. Hierzu werden einzelne Geometrieparameter des Laufrades variiert und ihr Einfluss wird experimentell untersucht. Insgesamt kann gezeigt werden, dass das Wirkprinzip einer Vortexpumpe dem einer konventionellen Kreiselpumpe mit halb-offenem Laufrad ähnelt. Auf Basis dieser Erkenntnis wird ein Verfahren zur Optimierung der Laufradauslegung von Vortexpumpen vorgeschlagen.
Im Einzelnen umfasst diese Dissertation eine Reihe von Untersuchungen zum Einfluss von Geometrieparameter des Laufrades auf die Klarwasserkennlinie, auf das innere Strömungsfeld im vorderen Radseitenraum sowie auf das Verstopfungsverhalten von Vortexpumpen. Die Untersuchungen zeigen, dass sowohl die Klarwasserkennlinien wie auch die Strömungsgeschwindigkeiten im vorderen Radseitenraum deutlich von einzelnen Laufradparametern abhängen. Daher wird die Beeinflussung der Klarwasserkennlinien durch einzelne Geometrieparameter des Laufrades ausführlich dargestellt. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass ein Laufrad mit höchster Förderhöhe und höchstem Wirkungsgrad auch die höchsten tangentialen und die höchsten radialen Strömungsgeschwindigkeiten im Radseitenraum erzielt. Unabhängig vom jeweilig untersuchten Laufrad erscheint die tangentiale Geschwindigkeitskomponente immer als die wesentliche Komponente in der Strömung im Gegensatz zu der radialen Geschwindigkeitskomponente. Das heißt, dass das Fluid für alle getesteten Laufräder vorwiegend im vorderen Radseitenraum rotiert und nicht wesentlich zum Transport beiträgt. Die Untersuchungen zum Verstopfungsverhalten zeigen, dass ein Laufrad mit höchster Förderhöhe und höchstem Wirkungsgrad unter Klarwasserbedingungen, zudem vergleichsweise viele Feststoffe pumpen kann. Für solch ein Laufrad reduziert sich der Wirkungsgrad beim Transport von feststoffhaltigen Fluiden jedoch deutlich und es treten vermehrt Verstopfungen im Nabenbereich auf. Da Vortexpumpen meist zur Förderung von feststoffhaltigen Fluiden eingesetzt werden, erscheint das konventionelle Verfahren zur Laufradoptimierung mittels Klarwassertests für eine Vortexpumpe daher ungeeignet. Zur Vermeidung von Verstopfungen kann daher ein Laufrad besser geeignet sein, welches unter Klarwasserbedingungen eine geringere Förderhöhe und einen geringen Wirkungsgrad erzielt.
References
