Kleine Pumpe ganz groß – was Hochleistungspumpen mit Schnecken gemeinsam haben

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Merkle Schnecke

Schaut man sich Kühlwasserpumpen in Autos an, kommt einem als Strömungsmechaniker schon das kalte Grausen. Wirkungsgrade von weit unter 50% sind nicht gerade State of the Art.

Bei einem Auto mit Verbrennungsmotor spielt das keine übergeordnete Rolle, da ist Energie im Überfluss vorhanden und so eine kleine Pumpe mit Durchmesser 6 cm braucht nicht ganz so viel. Auch ist der Motor so laut, dass die Pumpe akustisch nicht so ins Gewicht fällt.

Bei Elektrofahrzeugen sieht die Welt dagegen anders aus. Ob das Radio an oder aus ist, macht sich unter Umständen in der Reichweite deutlich bemerkbar. Auch das Summen einer Pumpe mit suboptimalem Wirkungsgrad fällt zumindest dem geübten Ohr auf.

 

 

Abbildung 1 Der Erfinder des Spiralgehäuses

 

 

 

Und ja, auch Elektromotoren und Batterien müssen gekühlt werden und brauchen daher Kühlflüssigkeit.

 

Was sind nun die Herausforderungen?

Die Pumpe muss herstellbar sein, Hinterschneidungen sind daher kritisch.

Kavitation – die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen (Dampfblasen) in Flüssigkeiten – muss unbedingt vermieden werden.

Womit wir beim Preis sind. In Großserie billig herstellbar wäre gut, wobei ein 3D-Druck aktuell noch ausscheidet, weil er (noch) zu teuer ist.

Die Ausgangsbedingungen vor der Optimierung der Pumpe mittels CFD sind, dass sich der Durchmesser des Impellers (Laufrad) und der Außendurchmesser der Volute (Schneckenform, Spiralgehäuse) nicht ändern dürfen. Somit ist die optimale Gestaltung der Volutenform und des Impellers unsere Spielwiese.

 

 

 

 

Abbildung 2 CFD-Ausgangsmodell der Pumpe mit Laufrad und Volute

 

 

 

Die Dimensionen des maximalen Durchmessers der Pumpe liegen bei etwa 7 cm. Ein großes Monster für die kleine Schnecke, eine eher filigrane Angelegenheit für eine Menschenhand. Die Schaufeln sind bei der Ausgangsvariante zweidimensional und profiliert.

Der gemessene Wirkungsgrad liegt hier bei 46% – da geht also sicherlich noch was.

 

 

Video 1 Parametrisiertes Modell der Volute, Variation des Außendurchmesser in CAESES

Die Optimierung über eine Strömungssimulation mit CFD erfolgt mit StarCCM+ als CFD-Solver und mit CAESES der Firma Friendship, einem sehr guten Kooperationspartner von uns, als Optimierer.
CAESES steuert dabei verschiedene Parameter für die CFD-Berechnung an und erzeugt so gezielt eine Vielzahl von Formen, die automatisch berechnet und ausgewertet werden.

Exemplarisch zeigt Bild 3 die Änderung des Volutenaußendurchmessers. Es sind aber mehrere Parameter via CFD vom Optimierer ansteuerbar.

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 3 CFD-Modell der optimierten Pumpe

 

 

300 Iterationsläufe und drei Wochen später

Das Laufrad der Pumpe ist nicht wiederzuerkennen und das Bild ähnelt ästhetisch der Schnecke, wobei die natürlich keinen Impeller besitzt, wo sollte sie sonst wohnen?
Das Strömungsbild mit dem Druck auf dem Impeller und der Geschwindigkeit auf den Stromlinien durch die Volute passt farblich auch hier wieder sehr gut zur Schnecke, womit wieder der Zusammenhang zur CFD-Strömungsberechnung hergestellt wäre. Der Wirkungsgrad ist auf 85% Prozent gestiegen. Der Stromverbrauch der Pumpe hat sich somit fast halbiert, der unseres Rechenclusters leicht erhöht. Das Kavitationsrisiko ist gesunken und die Pumpe ist auch herstellbar.

Wenn auch sie auch mit dem Wirkungsgrad Ihrer Pumpen unzufrieden sind, oder der Gesetzgeber von Ihnen bessere Wirkungsgrade erwartet, setzen Sie sich mit uns in Verbindung. Klicken Sie auf das Kontaktformular mit dem Bezug „Pumpe“, wir melden uns dann umgehend bei Ihnen.

Wir zeigen Ihnen, wie auch Sie schnell und effizient bessere Pumpen bauen können, ohne dass für eine Optimierung notwendige Know-How, oder die Anschaffung teurer Hard – und Software. Die wohnt bei uns.
Uns ist es auch egal, ob das Laufrad 2 mm Durchmesser hat oder 2 m. In unsere Rechner passt es.
Lassen Sie sich unverbindlich von uns beraten, wie wir auch Ihnen helfen können, bessere Pumpen, Verdichter und Turboverdichter zu bauen. CFD sei Dank.

Mit freundlichen Grüßen

Ihr Stefan Merkle

 

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