In die vorhandene Forschungsringleitung im Bereich zwischen dem Hauptentgaser (Bild 4, Pos. 4) und der axialen Kreiselpumpenstufe (Bild 4, Pos. 13) wird ein Rechteckkanal (Bild 4, Pos.9) integriert. Bild 11 zeigt die fotografische Darstellung des Rechteckkanals und des Klappenvibrators (Wobbler). Wie schon in Bild 4 dar-gestellt, wird im Übergang I (Pos. 6) die Überführung des lichten Durchmessers
∅ 340 auf den rechteckigen Strömungsquerschnitt (252 x 360 mm) realisiert; das entspricht einem hydraulischen Durchmesser von 300 mm. Die Vergleichmäßigung der Strömung erfolgt mit zwei Sieben (Bild 4, Pos. 7 und Bild 11, Pos. 2) aus Ma-schendraht (1 mm Maschenweite). Vorlaufstrecke (Bild 4, Pos. 8 und Bild 11), Pos. 3) und Meßstrecke (Bild 4, Pos. 9 und Bild 11, Pos. 4) haben jeweils eine Län-ge von 900 mm. Damit ergibt sich vor dem zu untersuchenden Profil (BSP, Bild 11, Pos. 9) ein Vorlauf von ca. fünf hydraulischen Durchmessern; das gewährleistet eine technisch ausreichend gleichmäßige Zuströmung für das Profil. Die Meßstrecke (Rechteckkanal) besteht aus einem gelöteten Messingrahmen und vier Seitenwän-den. Drei dieser Seitenwände bestehen aus Acrylglas und eine aus PVC (Wandstär-ke jeweils 40 mm)1. Durch diesen Aufbau ist der optische Zugang zu dem zu unter-suchenden Profil (BSP) von drei Seiten möglich. Dies ist insbesondere für Untersu-chungen mit Hilfe von LDV, LLV und DPIV erforderlich. Für die vierte Seitenwand empfiehlt sich PVC als Werkstoff aus Gründen der Korrosionsfestigkeit, der Integra-tion des Wobblers mit Schrittmotor (Bild 11, Pos. 8) und der variablen Oberflächen-strukturen. Die Nachlaufstrecke (Bild 4, Pos. 10 und Bild 11, Pos. 10) hat eine Län-ge von 343 mm, die eine technisch ausreichend gleichmäßiLän-ge Abströmung Län- gewähr-leistet. Die Vor- und Nachlaufstrecke sind entsprechend DIN 1944 [87] mit jeweils vier Druckmeßstellen ausgerüstet, die über eine Ringleitung verbunden sind. Für die Ermittlung des Differenzdruckes wird ein induktiver Differenzdruckaufnehmer mit nachgeschaltetem Trägerfrequenz-Meßverstärker verwendet. Der Übergang II
1 Diese Seitenwand wird im Verlauf der Untersuchungen (ohne/mit Seitenwandstruktur) stets als die Seitenwand bezeichnet.
(Bild 4, Pos. 11 und Bild 11, Pos. 6) überführt den rechteckigen Querschnitt (252 x 360 mm) wieder auf den lichten Durchmesser ∅ 340. Ein Kompensator (Bild 4, Pos. 12 und Bild 11, Pos. 7) dient zur Aufnahme von montage- und tempe-raturbedingten Längenänderungen. In Bild 12 ist die Meßstrecke schematisch dar-gestellt.
3.2.2 Vorleitradschaufel mit variabler Geometrie
Wie aus Bild 13 ersichtlich besteht bei axialen Kreiselpumpen, insbesondere mit Vordrallregelung, eine relativ deutliche Betriebsgrenze. Diese Betriebsgrenze wird sowohl durch Vorleitrad- als auch durch Laufradströmungsablösungen erzeugt. In Bild 2 sind u.a. Vorleitradschaufeln variabler Staffelung und variabler Wölbung (zweiteilig) gegenübergestellt. Vergleicht man Gestaltungsvariante A mit Gestal-tungsvariante C, so ist festzustellen, daß bei A die Grenzschichtablösung bei der oben zitierten Betriebsgrenze direkt an der Nasenspitze saugseitig auftritt, wohinge-gen bei C sich die saugseitige Ablösung in das Gebiet des Klappengelenks ver-schiebt und wie aus Experimenten [5] ersichtlich wieder anlegt. Letztgenannter Effekt kommt einer Wölbungserhöhung mit größerer Strömungsumlenkung gleich.
Für die experimentellen Untersuchungen wird daher eine Profilgeometrie für die ein-zelne Vorleitradschaufel mit variabler Wölbung ausgewählt, die sich bei extremen Strömungsumlenkungen bereits bewährt [5, 88] hat. Bei dem ausgewählten Profil handelt es sich um das an der TU Braunschweig als Einzelprofil entwickelte und an der TU Berlin im Kreisgitterverband untersuchte Bisuperellipsen-Profil (BSP) [21]. Es weist den Vorteil verringerter Saugspitzen im Druckverlauf sowohl im Gebiet der Profilnase als auch des Klappengelenks auf.
Die Profilform ist definiert durch die folgende Funktion (Bisuperellipsengleichung):
0
Die frei wählbaren Parameter dieser Gleichung stellen die beiden Halbachsen a und b und die Exponenten m und n dar. Die Anwendung der Bisuperellipsengleichung ergibt das in Bild 7 dargestellte Klappenprofil. Es setzt sich aus feststehendem Vor-körper und drehbarer Klappe zusammen. Alle Profilteile werden aus Bisuperellipsen geformt. Der feststehende Vorkörper enthält die 1. Bisuperellipse, die drehbare Klappe die 2. und 3.. Der Abstand Xk des Klappendrehpunkts von der Profilvorder-kante ist mit dem Halbachsenwert a = 55.99 mm der 1. Bisuperellipse identisch. Der Halbachsenwert b = 6.99 mm der 1. Bisuperellipse gibt die halbe maximale Dicke an.
Die Halbachsenwerte b der 1., 2. und 3. Superellipse sind identisch. Der Abstand Xd
des Klappendrehpunkts von der Klappenvorderkante wird so gewählt, daß bei einem Klappenwinkel von α2.Sch = 50.0° die Vorkörperkontur tangential (krümmungs-sprungfrei) in die Klappenkontur übergeht. Wird dieses Profil in einem Vorleitradgitter angeordnet, so ist auf dem Mittelschnitt von einem Teilungsverhältnis (s. Bild 6) t/l = 1.0 auszugehen. Die Klappenprofildaten gehen aus folgender Tabelle hervor:
Tabelle 1: Klappenprofildaten
Profillänge l 168.0 mm
Klappenlänge lKlappe 116.0 mm
Vorkörperlänge Xk 56.0 mm
Klappendrehpunkt Xd 3.0 mm
Hinterkantenlänge XH 3.25 mm
Profildicke dmax 14.0 mm
Hinterkantendicke dH 2.1 mm
Rel. Klappenknielage Xk/l 0.3333
Nimmt man nun eine mittlere Anströmgeschwindigkeit von v0 = 2 m/s an, so ergibt sich mit ν = 0.66*10-6 (Wasser bei 40°C) eine REYNOLDS-Zahl von Re = 9.09*105, gebildet mit dem hydraulischen Durchmesser dhydr = 0.300 m.
3.2.3 Spaltvariation
Bild 14 zeigt das BSP mit der nach [12] gewählten Spaltgeometrie. Bei der Schau-fel mit einem Teilungsverhältnis t/l = 0.80 und einem Klappenverhältnis Xk/l = 0.35 hat sich eine relativ kleine Spaltweite 0.2 mm unter einem Spaltwinkel von 56° im Winkelbereich 30° < α2.Sch.Vle < 45° als optimal erwiesen hinsichtlich des Umlenk-und Verlustverhaltens. Die anderen untersuchten Konfigurationen führen in diesem für Vordrallzwecke angestrebten Winkelbereich nur zu geringerer Verlustreduzie-rung. Die für diese Arbeit ausgewählte Geometrie hat eine Spaltbreite von S = 0.5 mm, das ist in hydraulischen Strömungsmaschinen wenig sinnvoll, da sich so relativ dünne Spalte schnell mit den im Wasser mitgeführten Verunreinigungen ver-stopfen. Aus diesem Grund wird für die experimentellen Untersuchungen eine Spalt-breite von 3.0 mm gewählt. Der Spaltwinkel beträgt 56°, wie in der Literatur angege-ben. Bei dem BSP ergibt sich durch die besondere Geometrie, die das Profil im Übergang von dem Vorkörper zur Klappe auszeichnet, eine Spaltvariation in Abhän-gigkeit vom Klappenwinkel αK (Bild 15).