Investigation of suction capability of a centrifugal pump impeller

Abstract

Sentrifugalpumper er en turbomaskin, hvor løpehjulet øker trykket i væsken. Den første kjente prototypen for en sentrifugalpumpe eksisterte allerede på 1400-tallet. Det har vært en konstant utvikling fra den første kjente prototypen og frem til sentrifugalpumpene vi kjenner i dag, og bruksområdet til pumpene har blitt større og større. Pumpene transporter både newtonsk og ikke-newtonsk væske, og spiller en viktig rolle i hverdagen vår. Et viktig bruksområde for sentrifugalpumper er i olje- og gassnæringen. Denne studien fokuserer på en spesifikk sjøvannsløftepumpe som brukes i denne næringen. Denne studien fokuserer på en sjøvannsløftepumpe som brukes i denne næringen. En av de viktigste utfordringene for sentrifugalpumper designet for høy volumstrøm og stort trykk under tøffe forhold, er kavitasjon på forkanten av bladet og strenge krav til ytelse ved lave sugetrykk. En av de største utfordringene med sentrifugalpumper designet for høy volumstrøm og stort trykk under tøffe forhold, er kavitasjon på forkanten av bladet på løpehjulet, samt strenge krav til ytelse ved lave sugetrykk. Det primære målet til denne studien var å undersøke kavitasjonsegenskapene og sugeevnen til fem forskjellige løpehjul. Studien undersøkte et toppmoderne løpehjuldesign levert av Framo Flatøy AS. Flere teknikker ble brukt for å forbedre den originale sugeevnen til pumpen, men dette førte ikke til noen forbedring. En vanlig metode for å tilpasse ytelsen til pumpen er å dreie ned utløpet til løpehjulet, men i denne studien førte dette til at sugeevnen ble dårligere. Det sekundære målet med studien var å gjennomgå teknikkene som brukes for å forbedre ytelsen og identifisere de kritiske parameterne knyttet til den aktuelle pumpens sugeevne. Basert på kunnskapen som er opparbeidet gjennom studien vil det bli lagt frem et forslag til forbedring av løpehjulets design. Det er forventet at det nye designet vil resultere i forbedrede kavitasjonsegenskaper og bedre ytelsen ved lavt sugetrykk. Studien består av eksperimentell og numerisk forskning. Eksperimentene ble utført på testanlegget til Framo Flatøy AS. Flere eksperimenter ble utført på fem like løpehjul for å forbedre ytelsesegenskapene. Eksperimentene viste at teknikkene økte net positive suction head (NPSHR), noe som var det motsatte av det man hadde forventet. Ved sammenligning av lignende løpehjulsdesign, ser det ut som at det er innfallsvinkelen som er grunnen til den bratte NPSHR kurven. Eksperimentelle data fra studien ble videre brukt til å validere den numeriske modellen. De numeriske simuleringene ble utført ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU). Raynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) analyser ble utført ved å bruke shear-stress transport (SST) turbulensmodell. For rotor-stator grensesnittene ble det brukt frozen-rotor modell og en transient rotor-stator modell for henholdsvis stasjonær og dynamisk simulering. For kavitasjonssimuleringene ble Rayleigh-Plesset-modellen brukt. Den numeriske modellen består av et hexahedral strukturert mesh med 7,9 millioner noder. Den numeriske modellen klarte å gjengi pumpeegenskapene og resultatene av studien viser at løpehjulets geometri ved innløpet er viktigst for sugeevnen. Det nye løpehjuldesignet har den samme geometrien som det opprinnelige designet, men bladvinkelen ved innløpet er redusert med 1 grad. Dette har bidratt til en redusert NPSHR. Det ble også vist at en lavere innfallsvinkel er bra for sugeevnen nærmest nominell volumstrøm.

Centrifugal pumps are energy absorption type rotodynamic machines, and the large part of the global energy is consumed by the pump to deliver the required work. The known record indicates that the first prototype machine (identical to pump) was put in operation as early as 15th century. Since then, the pump design is constantly improved, and the application is widened. The pumps play essential role in modern life to transport both Newtonian and non-Newtonian fluid. One important branch of application is the oil and gas industry. The present study focuses on a centrifugal pump used for pumping seawater. The critical challenges for these centrifugal pumps are leading edge cavitation and the tight requirement of suction head. The goal is to investigate the cavitation characteristics and the suction capability of five distinct impellers of a centrifugal pump. State-of-the-art design provided by Framo Flatøy AS is used to investigate the pump. Several cutting-edge techniques were applied to improve the suction capability initially however, no substantial improvement was seen in the pump performance. The conventional trick of impeller trimming is expected to only cause a small reduction in the suction capability. Secondary goal of the present work is to review the cutting-edge techniques used to improve the performance and identify the critical parameters for the suction capability. Based on the knowledge attained from the present investigation, an improvement to the impeller design is suggested. It is expected that the contemporary design will improve the cavitation characteristics and enable better performance at low inlet pressure. The study comprises of experimental and numerical research. Experiments were performed on state-of-the-art test facility at Framo Flatøy AS. Series of experiments on five distinct impellers were conducted, and performance characteristics were prepared. The experimental showed that the rework techniques increase the net positive suction head NPSHR contrary to the expected outcome. Comparison to similar design, it looks like the incidence angle causes the steep NPSHR curve. The experimental data are further used to validate the numerical model. Numerical simulations were performed at Norwegian University of Science and Technology. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) analyses were performed using the shear-stress transport (SST) turbulence model. The frozen-rotor model and transient rotor-stator model were applied to the rotor-stator interfaces for respectively steady and unsteady simulations. For the cavitation simulations the Rayleigh-Plesset model was used. The mesh produced is a hexahedral structured mesh with 7.9 million nodes. The numerical model managed to reproduce the pump characteristics. The results show that impeller inlet configuration is most important for the suction capability. The proposed impeller design had the same geometry as the original design in this work, but the blade angle at the impeller inlet were reduced by 1 degree. This has helped to reduce the NPSHR. It was found that a lower incidence angle is good for the suction capability around rated flow.