Download het artikel in 
Bij de aankoop van pompen wordt steeds meer gestreefd naar een lager energieverbruik, een hogere efficiëntie en lagere onderhoudskosten. Zwitsers fabrikant CP Pumpen investeerde daarom in simulatiesoftware om zijn producten te verbeteren. Zo wilde het bedrijf zijn klanten helpen bij het zoeken naar duurzame oplossingen.
De elektriciteitskosten voor de werking van pompen kunnen immers oplopen tot 85 procent van de volledige levenscycluskost. Er schuilt dus een aanzienlijk besparingspotentieel in de optimalisatie van pompen, zoals de verbetering van de hydraulische performantie en een verhoging van de efficiëntie.
Van schoepenwiel tot volledige eenheid
Het bedrijf kwam tot het gebruik van simulatiesoftware bij ontwerp tijdens zijn zoektocht naar alternatieven voor het tijdrovende en kostelijke standaard ontwerpproces van pompen. Men kwam zo bij software dat de ingenieurs toeliet snel en makkelijk de geometrie van schoepenwielen te modelleren.
Dit instrument laat de gebruiker toe zowel de meridionale stromingstrajecten, als de vorm van de schoepen, de dikteverdeling van de schoepen inbegrepen, te ontwerpen. Eenmaal de geometrie van de schoepen is gespecificeerd, bepaalt de software het doorsnedegebied langs het stromingstraject, om zo een evaluatie van de stromingseigenschappen mogelijk te maken.
Hierna kan een CFD-simulatie worden opgestart, waarmee het volledige 3D-stromingsveld, druk en snelheid van de vloeistof inbegrepen, worden berekend.
Dit maakt een beoordeling van de opvoerhoogte en efficiëntie van het schoepenwiel mogelijk. Op die manier kon CP Pumps meerdere schoepenwielontwerpen optimaliseren voor een specifieke pompafmeting en deze vervolgens in huis testen. Door simulatie in te zetten kon het bedrijf snel en kosteneffectief meerdere ontwerpen creëren, ze met elkaar vergelijken en valideren.
Heel wat van de schoepenwielen die met behulp van CFD werden ontworpen, verbeterden de hydraulische eigenschappen van de pomp dramatisch, wat op een proefopstelling van de pomp kon worden bevestigd. Andere ontwerpen die er aanvankelijk veelbelovend uitzagen, bleken na beoordeling met CFD ontoereikend te zijn.
Zo kon het bouwen van een prototype (en de hiermee samengaande kosten) worden vermeden. Na het schoepenwiel ging de aandacht van het ontwikkelingsteam uit naar de interactie tussen de spiraalvormige behuizing en het schoepenwiel, die veel belangrijker bleek dan oorspronkelijk gedacht. In plaats van één onderdeel te simuleren, bleek het nodig de volledige eenheid op te nemen in de simulatie. Het bedrijf besloot over te gaan op het systematische gebruik van simulatiesoftware bij het ontwerp van pompen.
Investering die zich terugbetaalt
Tijdsafhankelijke berekeningen geven meer gedetailleerde resultaten, maar vereisen meer computerkracht. Daarom werd geïnvesteerd in een hoogperformante computercluster met meerdere processors en een zeer grote databank, samen met verschillende softwarelicenties. Deze investering bleek de moeite waard: door jaarlijks slechts vier pompen te ontwikkelen met CFD, betaalt de investering zich terug, want het patroon moet niet veranderd worden voor elk pomptype.
Een bijkomend voordeel van tijdsafhankelijke berekeningen is dat naast het verkrijgen van hydraulische data (opvoerhoogte, energieverbruik en efficiëntie) de gebruiker ook informatie krijgt over de tijdsafhankelijkheid van de drukverdeling in een pomp. Via simulatie kon de pompenproducent de hydraulische performantie van alle 18 afmetingen van een bepaald model verbeteren en kon de mechanische last op de lagers van het schoepenwiel tot een minimum worden beperkt, wat leidde tot verbeteringen in de levensduur van de pompen.
Nog een voordeel van de hydraulische optimalisering is een geluidsreductie van de pompen. Zonder CFD had het drie keer meer tijd gekost om evenwaardige producten te ontwikkelen. Voor de aanpassingen was de efficiëntie van de pompen acceptabel, erna was ze uitstekend.
Volgens de laatste analyse leidde het gebruik van simulatie van vloeistofstromen tot efficiëntieverbeteringen tot 50 procent. Voor de klanten vertaalde zich dit in een lager elektriciteitsverbruik van de pomp en minder onderhoud. Een betere hydraulische efficiëntie zorgt er immers voor dat het energieverbruik evenredig daalt, waardoor de klanten hun doelstellingen in duurzaamheid makkelijker kunnen behalen.
door Rob Van Tol & Rahul Ekatpure, Sirris
