Investigation of air driven ejector for ballast pump

Abstract

Ballastpumper spiller en viktig rolle for å opprettholde stabiliteten til skip ved å pumpe sjøvann inn eller ut av ballastvannstankene under lasting, lossing og trim av fartøyet. Under pumpedrift må impellerene være nedsenket i sjøvann for å fordele sjøvannet inn og ut av tankene. Ulike forhold kan føre til lav vannhøyde i pumpekammeret, men kan gjenvinnes ved å evakuere luften. I Framo lastepumpesystem drives ballastpumpene med ejektorer for å utføre evakueringen. Effektiv ejektordesign vil sikre rask evakuering og holde energiforbruket på et minimum. Denne studien søker å undersøke ejektorytelsen ved hjelp av eksperimenter og numeriske væskedynamiske (CFD) simuleringer. I tillegg vurderes enkelte alternative design. Den undersøkte ejektoren er designet av Framo.

Resultatene fra forsøkene viser at et høyere primærtrykk trekker med seg mer væske når sugetrykket er subatmosfærisk. Å øke primærtrykket fra 3 til 5 bar trekker med seg mer væske når sugetrykket er 1 bar. Ytterligere økning i primærtrykk øker ikke sugestrømningen videre. Den numeriske modellen forutsier de eksperimentelle verdiene for sugestrømningen for et sugetrykk på 1 bar. Modellen klarer ikke å forutsi sugestrømningen for lavere sugetrykk.

CFD-resultatene viser ulike hastighetsfelt og sjokkstrukturer avhengig av primærtrykket. Etter primærdysen går primærstrømmen gjennom en serie skrå sjokk- og ekspansjonsbølger. I diffusoren akselereres strømningen til supersoniske forhold for et primærtrykk på 7 og 7,77 bar, og derfor dannes det en sjokkbølge i den divergerende delen av diffusoren. Alle simuleringer viser en stor sirkulasjonssone i utløpsdelen av diffusoren.

Simuleringer på alternative primærdysedesign viser at sugestrømningen økes ved å redusere den primære halsdiameteren. Det antas at dette skyldes at strømmen utvider seg til et lavere trykk i blandekammeret, samt at man unngår en sjokkbølge i diffusoren.

Ballast pumps play a vital role in maintaining the stability of ships by pumping seawater in or out of the ballast water tanks during cargo loading, off-loading, and trim of the vessel. During pump operation, the pump impellers must be immersed in seawater in order to distribute the seawater in and out of the tanks. Various conditions can lead to a low water height in the pump chamber but can be regained by evacuating the air inside. In the Framo cargo pumping system the ballast pumps are operated with ejectors to perform the evacuation. Efficient ejector design will assure rapid evacuation and maintain the energy consumption to a minimum. This study seeks to investigate the ejector performance by experiments and computational fluid dynamic (CFD) simulations. In addition, some alternative designs are evaluated. The ejector investigated is designed by Framo.

The results from the experiments show that a higher primary pressure entrains more fluid when the suction pressure is sub-atmospheric. Increasing the primary pressure from 3 to 5 bar entrains more fluid when the suction pressure is 1 bar. Further increase in primary pressure beyond this point does not enhance more suction. The numerical model predicts the experimental values for the suction flow rate for a suction pressure of 1 bar. The model fails to predict the suction flow rate for lower suction pressures.

The CFD results show different velocity fields and shock structures depending on the primary pressure. After the primary nozzle, the primary flow goes through a series of oblique shock and expansion waves. In the diffuser the flow is accelerated to supersonic conditions for a primary pressure of 7 and 7.77 bar, hence a shock wave is formed in the diverging part of the diffuser. All simulations show a large circulation zone in the outlet section of the diffuser.

Simulations on alternative primary nozzle designs show that the entrainment is increased by reducing the primary throat diameter. It is suggested that this is due to the flow expanding to a lower pressure in the mixing chamber, as well as a shock wave is avoided in the diffuser.