Fluid-Induced Forces and Unsteady Flow in Helico-Axial Pumps

OneSubsea design pumps that are made for processing a mixture of liquid and gas. The internal flow field in these pumps is very complex. Forces from the flow act on the pump?s rotating parts and this can lead to vibrations. In large pumps, the forces can be challenging to handle and there is a risk that the pump?s production envelope is restricted accordingly. The project?s purpose is to improve the ability to use simulations to predict the forces which occur in the pumps. This would make it possible to determine whether unfavorable forces will occur in the pump. Better knowledge of the phenomenon will also make it possible to mitigate or eliminate the forces through design changes. This would allow the pump to operate with a wider production envelope and with increased efficiency. The positive outcome could thereby be a reduced carbon footprint when using the pump for production of oil and gas. The project work will include experiments conducted with a pump which has a transparent casing. This makes it possible to record footage of the pump internals during operation and determine what are the characteristics of the flow under different circumstances. The experiments provide a unique opportunity to compare the actual flow field with simulation results and validate whether the simulation can reproduce the flow characteristics. Different simulation techniques and simplifications will be explored to find an effective and reliable approach. Finally, the project aims to develop an approach to simulate a vibrating pump, as the vibration gives rise to new forces from the flow. This is important for improved stability analyses of the pump assemblies. Developing effective and reliable simulation techniques is valuable since it can reduce the need for expensive and energy intensive tests in the industry.

Prosjektet omhandler de interne strømningsforholdene i aksialpumper bestående av åpne heliks-impellere og tilhørende diffusorer. Impellerens geometri tilsier at strømningen er relativt kompleks og kaotisk. Testerfaring viser at ustabiliteter i strømningen forårsaker dynamiske krefter fra fluidet på impellerne, som igjen kan føre til vibrasjoner i pumpens roterende deler. Økt innsikt i strømningens detaljer, samt evnen til å bruke simuleringer til å forutsi kreftene som oppstår, vil gjøre det mulig å bestemme innslagspunktet for vibrasjoner og potensielt dempe eller eliminere dem. Arbeidets omfang inkluderer å utføre eksperimenter med en nedskalert pumpe, validere og videreutvikle numeriske strømningsberegninger (CFD) og beskrive fluiddynamikken basert på dette. Eksperimentene involverer en aksialpumpe med gjennomsiktig trykkskall som gjør det mulig å filme strømningen med høyhastighetskamera. Resultater fra CFD vil bli sammenlignet med eksperimentelle data for å oppnå en tilnærming som kan gjenskape strømningen i tilstrekkelig grad. Videre er det planlagt å utarbeide en fremgangsmåte for å simulere en eksentrisk impeller og validere denne. Prosjektresultatene vil forbedre evnen til å forutsi pumpenes ytelse og stabilitet. Dette er avgjørende i utviklingen av nye pumper med høyere ytelse. Detaljert kunnskap om strømningsforholdene er også viktig for å kunne forbedre virkningsgrad og eventuelt utvide applikasjonsområdene for pumpene.