- Ruhr-Universität Bochum

Direkte Regelung von zeitlich und räumlich aufgelösten Strömungsfeldern in hydraulischen Strömungsmaschinen am Beispiel der Kavitation in Pumpen

In zahlreichen Branchen und Anwendungen sind Pumpen von zentraler Bedeutung für die Förderung von Fluiden. Sie finden unter Anderem Einsatz in der Gebäudetechnik, Wasser- und Abwasserversorgung, Energieerzeugung, Schifffahrt, Landwirtschaft sowie in industriellen Prozessanlagen. Trotz ihrer Verbreitung werden diese Pumpen oft nicht im energieeffizientesten Betriebspunkt betrieben, was zu einer Reihe von Nachteilen führen kann. Ein solcher suboptimaler Betrieb von Pumpen kann zu einem erheblichen Anstieg des Energieverbrauchs führen, was wiederum die Betriebskosten erhöht und die Umweltbelastung verstärkt. Im Besonderen führt die Bildung von Kavitationsblasen zu erheblichen Schäden an den Pumpenkomponenten, was die Wartungs- und Reparaturkosten erhöht, die Ausfallzeiten verlängert und schließlich die Lebensdauer der Pumpe verkürzt.
Basierend auf den Erkenntnissen eines vorangegangenen Forschungsvorhabens (siehe Echtzeitfähige digitale Zwillinge von Kreiselpumpen), zielt dieses Vorhaben, das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) gefördert wird, darauf ab, eine innovative Regelungsstrategie für Kreiselpumpen zu entwickeln, die auf echtzeitfähigen digitalen Zwillingen basiert. Das Ziel besteht darin, eine optimale Betriebsführung durch echtzeitfähige, strömungsfeldaufgelöste Regelung zu ermöglichen, die die Kavitationsbildung in Pumpen verhindert.

3D-Modell einer Kreiselpumpe

Die Entwicklung einer solchen Regelung erfordert detaillierte Kenntnisse über die orts- und zeitaufgelösten sowie parameterabhängigen Volumenströme und Druckfelder innerhalb der Pumpe. Diese Informationen sind jedoch aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse und der begrenzten Zugänglichkeit der Pumpe für direkte Messungen nur schwer zu erlangen. Daher müssen innovative Methoden entwickelt werden, um diese Herausforderung zu überwinden.

Um dies zu erreichen, werden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens hochauflösende Strömungssimulationsmodelle aus der numerischen Strömungsmechanik (computational fluid dynamics, CFD) mittels Hauptkomponentenzerlegung und nichtlinearen Interpolationsmethoden auf parametrische reduzierte Modelle heruntergebrochen, die für den Einsatz auf Mikrocontrollern in Pumpen geeignet sind.

Die ersten sechs Hauptkomponenten (auch als Moden bezeichnet) von insgesamt 16 Hauptkomponenten des Drucks in einer Kreiselpumpe im axialen Schnitt.

Dieser Ansatz ermöglicht es, die Komplexität der Strömungsmodelle zu reduzieren, während gleichzeitig die Genauigkeit der Simulationen kontrolliert werden kann. Zusammen mit wenigen Messungen an optimal platzierten Messpunkten dienen die entwickelten parametrischen reduzierten Modelle als Basis für die Schätzung von Strömungsfeldern und Druckverteilungen. Durch die Kombination von Messdaten und modellbasierten Schätzungen, auch Softsensor genannt, können umfassende Strömungsgrößen, einschließlich des gesamten Strömungsfelds, mit hoher Genauigkeit ermittelt werden, wobei bereits eine geringe Anzahl von Messungen, maximal 10 Druckmessungen an optimal ausgewählten und gut zugänglichen Stellen, genügt. Diese Messstellen werden durch modellbasierte Beobachtbarkeitsanalysen ermittelt, die Aufschluss über die Menge an verfügbaren lokalen Informationen über das Strömungsfeld liefern.

Heatmap der Beobachtbarkeit (Maß für die Optimalität des Messortes) in der Kreiselpumpe im axialen Schnitt. Die vier Kreise (weiß mit schwarzem Rand) zeigen die ersten vier optimalen Messorte.

Aus den ermittelten Strömungen werden integrale Größen zur Ermittlung der Kavitation abgeleitet. Auf Grundlage der Ergebnisse der Strömungsfeldschätzung und Kavitationsdetektion wird eine echtzeitfähige Regelungsstrategie konzipiert, die eine optimale Anpassung des Betriebspunkts der Pumpe ermöglicht, um Kavitationsbildung zu verhindern, bei gleichzeitiger Optimierung der Energieeffizienz.

Die technische Umsetzung des Projekts umfasst die Entwicklung zweiphasiger kavitierender Strömungssimulationen und parametrischer reduzierter Strömungsmodelle, die Implementierung der Softsensorik, die Integration der Kavitationsdetektion sowie die Entwicklung der strömungsfeldaufgelösten Regelungsstrategie. Abschließend wird die Methode an einem Hardware-in-the-Loop Prüfstand validiert.

Dieses Forschungsvorhaben wird in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Hydraulische Strömungsmaschinen (HSM) der Ruhr-Universität Bochum durchgeführt.