Onder leiding van dr. Bart van Esch, universitair docent bij de sectie Process Technology van de faculteit Werktuigbouwkunde, wordt onderzoek gedaan naar pompsystemen voor gemalen. De focus ligt op twee gebieden: instabiel gedrag van zogenoemde axiale en half-axiaalpompen en optimalisatie van de inlaatkamer van de pomp.
Poldergemalen in Nederland worden gekenmerkt door grote volumestromen bij relatief lage niveauverschillen. De pompen die hiervoor het meest geschikt zijn, zijn axiale en half-axiale pompen. Van Esch: “Het verschil tussen beide typen zit ‘m in de vorm van de waaierschoepen. Half-axiale pompen zijn door hun vorm in staat om bij dezelfde volumestroom een hogere opvoerdruk te leveren. Welk type optimaal is voor een bepaalde situatie hangt af van de hoogte van de benodigde opvoerdruk, en dus van het verschil in waterniveau aan weerszijden van het gemaal.”
Een probleem dat kan optreden bij axiale en half-axiale pompen is instabiel gedrag. Van Esch: “Normaal heb je een stationaire toestand: er wordt een constante hoeveelheid water verpompt tegen een constante opvoerdruk. Maar bij een lage volumestroom vertonen de pompen instabiel gedrag: er ontstaan heftige pulsaties en dat kan schade veroorzaken.” Deze pompen zijn dus niet bruikbaar in situaties met een lage volumestroom. En ook in situaties met een grote volumestroom kunnen problemen ontstaan omdat je bij het opstarten altijd even door een gebied moet met een lage volumestroom.
De groep van Van Esch heeft de mechanismen die instabiliteit veroorzaken aardig in beeld. “Met computersimulaties hebben we kunnen aantonen wat er precies gebeurt in de stroming. Het is vergelijkbaar met de luchtstroming rond een vliegtuigvleugel. Als de hoek van instroming op die vleugel te groot wordt ten opzichte van de voorwaartse snelheid, dan laat de stroming los en zakt de ‘lift’ van de vleugel plotseling in. Dat zou betekenen dat zo’n vliegtuig uit de lucht valt. Bij een pomp werkt het ook zo. Bij een lage volumestroom kan de aanstroming van de schoepen onder een zodanig grote hoek plaatsvinden dat de stroming loslaat, met het inzakken van de opvoerdruk van de pomp als gevolg. Bij een nóg lagere volumestroom neemt de opvoerdruk plotseling weer toe. Dat komt doordat er wervels in het water ontstaan die de inlaat gedeeltelijk blokkeren. Water stroomt met een hogere snelheid langs deze blokkade waardoor loslating bij de schoepen wordt voorkomen en de opvoerdruk weer stijgt. Dergelijke pompen hebben diameters tot twee à drie meter. Je kunt je voorstellen wat voor volumes aan water daar doorheen gaan. Als die stroming een heftig pulserend karakter heeft kan dat grote schade aanrichten aan onderdelen van je installatie. Het is dus belangrijk om precies te weten waar dat gebeurt, zodat je maar heel kort in die toestand hoeft te draaien. Nog beter zou het zijn om het te kunnen voorkomen. Dat maakt de toepasbaarheid van je pomp stukken groter.”
Het tweede aandachtspunt is de aanstroming van de pompen. De motor van de pomp en de pomp zelf zijn verbonden door een verticale as. De aanstroming in het gemaal is echter horizontaal. De stroming wordt in een zogeheten inlaatkamer omgebogen van horizontaal naar verticaal. Zo ontstaat een ‘niet-uniforme aanstroming’. Een niet uniforme aanstroming heeft verschillende gevolgen voor de prestatie van de pomp.
Ten eerste worden de krachten op de as van de pomp beïnvloed. Van Esch: “Hier bij Process Technology staat een unieke opstelling om dit effect te bestuderen. We hebben een geavanceerde sensor ontwikkeld waarmee krachten en buigmomenten in drie richtingen kunnen worden gemeten. De sensor wordt ingebouwd in de as van een half-axiale pomp en draait mee met de rotor. De kennis die hieruit voortkomt is onder meer van groot praktisch belang voor de dimensionering van de lagers van dit soort pompen”.
Ten tweede kan er als gevolg van de niet-uniforme aanstroming een dermate lage druk ontstaan dat het water wordt omgezet in damp. Er kunnen dampbellen in het water ontstaan. “Het ontstaan van de bellen is op zich nog niet zo’n probleem. Maar als ze meegenomen worden met de stroming en terechtkomen in een gebied met een hogere druk, dan klappen ze weer in elkaar. Dat proces gebeurt heel snel, in een fractie van een seconde. Het is met name het imploderen van die bellen wat gepaard gaat met drukgolven. En dat kan schade geven aan de schoepen. Er wordt dus veel aandacht besteed aan het ontwerp van de inlaatkamer, om te voorkomen dat die
aanstroming al te zeer niet-uniform is.”
Vorig jaar werd de Eindhovense vakgroep benaderd door de universiteit van Yangzhou. China wil de kennis die hier in Eindhoven wordt opgedaan inzetten voor een groot water-transportproject. In het noorden van het land heerst structureel grote droogte. De Gele Rivier heeft te weinig capaciteit om te zorgen voor voldoende water voor industrie, landbouw en consumptie. Sinds de jaren zestig wordt er gewerkt aan verschillende verbindingen tussen de zuidelijker gelegen Yangtze-rivier en de Gele rivier in het noorden. Als het project klaar is (gepland in 2050) moet er via deze kanalen jaarlijks 45 miljard kuub water naar het noorden stromen.
Onderzoek naar gemalen en pompsystemen staat hoog op China’s prioriteitenlijst. De universiteit van Yangzhou is één van de belangrijkste universiteiten langs de oostelijke waterroute die daarmee bezig is. Onderzoeker dr. Cheng Li kwam voor een jaar naar Eindhoven om hier het numerieke onderzoek te doen naar instabiliteit en krachten op de as van de pomp.
In oktober 2009 ging Van Esch naar China. Het viel hem op dat er heel anders gewerkt wordt dan in Nederland. “Je ziet heel goed dat het een prestigeproject is. In Nederland houden we alles compact en proberen we de gemalen te laten wegvallen in het landschap, maar daar zijn gemalen bijna toeristische trekpleisters. Ik heb gemalen gezien met een bezoekerscentrum ernaast, compleet met conferentiezalen en een restaurant. En als je zo’n gemaal binnenstapt, zie je vloeren van marmer en glazen deuren met veel chroom.”
De komende drie jaar zullen de onderzoeksgroepen van Van Esch en Li gezamenlijk verdergaan met het onderzoek. (SK)/.
|
Cursor als PDF
)
