Theoretical, numerical and experimental investigation of the flow in rotor stator cavities with application to a centrifugal pump

Duisburg, Essen (2011), IX, 131 S.
Dissertation / Fach: Maschinenbau
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2011
Abstract:
In der vorliegenden Arbeit wird die komplexe Strömung in Rotor-Stator Kavitäten mit Hilfe analytischer, numerischer und experimenteller Ansätze untersucht. Die Strömung zwischen einer rotierenden und einer stationären Wand tritt in nahezu allen Turbomaschinen zwischen Laufrad und Gehäuse auf. Die Strömungsverhältnisse in diesen Radseitenräumen bestimmen in entscheidendem Maße die auftretenden Verluste (Radreibungs- und Leckageverluste) und begrenzen somit die erreichbaren Wirkungsgrade. Eine Vielzahl von weiteren wichtigen Eigenschaften, wie z.B. der auf das Laufrad wirkende Axialschub oder rotordynamische Effekte, werden elementar von der Strömung in den Radseitenräumen bestimmt. Im ersten Teil der Arbeit wird ausgehend von einem vereinfachten Kavitätenmodell ein neuer Ansatz zur eindimensionalen Berechnung der Strömung abgeleitet. Dieser erlaubt die Bestimmung der wesentlichen Strömungsparameter wie der radialen Kernrotations- und Druckverteilung, sowie des Reibmomentes. Die Ableitung der grundlegenden Differentialgleichung erfolgt dabei sowohl aus den Navier-Stokes‘schen Bewegungsgleichungen als auch aus dem Momentengleichgewicht an einem zylindrischen Volumenelement. Aufgrund eines umfangreichen Literaturüberblicks wird davon ausgegangen, dass sich eine Grenzschichtströmung einstellt, die im Wesentlichen aus einer Grenzschicht an der rotierenden Scheibe und der stationären Wand besteht. Das Strömungsmodell berücksichtigt hierbei den Einfluss einer äußeren zylindrischen Wand in Form einer zusätzlichen Korrekturfunktion. Weiterhin wird ein neuer Ansatz zur Berechnung der Reibbeiwerte basierend auf dem logarithmischen Wandgesetz verwendet, während andere Verfahren in der Regel auf das empirische Widerstandsgesetz von Blasius zurückgreifen. Zusätzlich wird ein neuartiger Ansatz aus der Literatur zur Bestimmung der radialen Grenzschichtdickenverteilung an der rotierenden Scheibe in das Verfahren integriert. Vergleiche mit experimentellen Daten aus der Literatur sowie zwei anderen Strömungsmodellen zeigen eine Verbesserung der erzielbaren Ergebnisse. Weiterhin wird anhand von zwei Praxisfällen in Form einer radialen Kreiselpumpe (hydraulische Strömungsmaschine) niedriger spezifischer Drehzahl und eines Radialverdichters (thermische Strömungsmaschine) die praktische Anwendbarkeit des Verfahrens demonstriert. Im zweiten Teil der Arbeit werden grundlegende numerische Berechnungen mit kommerziellen CFD Programmen durchgeführt und mit verfügbaren experimentellen Daten verglichen. Die Untersuchungen fokussieren hierbei auf mittlere Strömungsgrößen und bestätigen die im vorigen Abschnitt getroffenen Annahmen hinsichtlich der Strömungsverhältnisse. Weiterhin zeigt sich, dass die Strömung trotz verhältnismäßig einfacher Geometrie einen sehr hohen Komplexitätsgrad besitzt. Ein Beispiel hierfür ist der Transitionsprozess von laminarer zu turbulenter Strömung, was die Turbulenzmodellierung stark erschwert. Weiterhin bestätigen die numerischen Ergebnisse den starken Einfluss einer überlagerten Durchströmung auf die Strömungsstruktur. Die Erkenntnisse aus den vorliegenden numerischen Grundlagenuntersuchungen werden nachfolgend zur Modellierung der Strömung in einer kompletten radialen Kreiselpumpe mit Spiralgehäuse eingesetzt. Die numerischen Ergebnisse werden durch Messungen der radialen statischen Druckverteilung in den Radseitenräumen sowie der Förderhöhe bei drei unterschiedlichen Betriebspunkten (Teillast, Auslegungspunkt, Überlast) unterstützt. Dabei wird sowohl ein Laufrad mit, als auch ohne Ausgleichsbohrungen untersucht. Befinden sich Ausgleichsbohrungen im Laufrad, so stellt sich im hinteren Radseitenraum eine einwärts gerichtete Leckageströmung ein, die einen starken Einfluss auf die dort vorherrschende Strömungsstruktur hat. Eine sehr gute Übereinstimmung der Förderhöhen für alle untersuchten Betriebspunkte bestätigt eine zutreffende Strömungsmodellierung mit Hilfe von CFD. Der Vergleich der radialen Druckverteilungen zeigt im vorderen Radseitenraum ebenfalls durchweg eine gute Übereinstimmung, während im hinteren Radseitenraum etwas größere Abweichungen auftreten. Aufgrund unterschiedlicher axialer Spaltweiten stellen sich im vorderen und hinteren Radseitenraum grundsätzlich verschiedene Strömungsformen ein. Während sich in der deckscheibenseitigen Kavität eine Grenzschichtströmung mit Kernbereich ausbildet, stellt sich im radscheibenseitigen Radseitenraum aufgrund der deutlich geringeren axialen Spaltbreite eine Scherströmung mit zusammengewachsenen Grenzschichten ein. Generell zeigt sich eine starke Kopplung (Massen und Impulsaustausch) der Radseitenräume mit der Strömung in den angrenzenden Bauteilen wie der Spirale und dem Laufrad. Der Druckaufbau in der Spirale erfolgt in der vorliegenden Pumpe ungleichmäßig in tangentialer Richtung. Dies trifft für alle untersuchten Konfigurationen zu und hat einen starken Einfluss auf die Strömung in den Radseitenräumen. Bei geschlossenen Ausgleichsbohrungen verlagert sich die Laufradabströmung in Richtung der Saugseite, wodurch der in den vorderen Radseitenraum eintretende Drehimpuls erhöht wird. In Abwesenheit von Ausgleichsbohrungen entsteht im hinteren Radseitenraum ein dreidimensionales Rezirkulationsgebiet, in dem sich das Fluid entgegen der Rotationsrichtung des Laufrades dreht. Dies ist ebenfalls anhand der Messungen nachweisbar, ebenso wie der grundsätzlich verschiedene Strömungscharakter in beiden Radseitenräumen. Die Anwendung des abgeleiteten eindimensionalen Strömungsmodells liefert gute Ergebnisse im vorderen Radseitenraum. Aufgrund der unterschiedlichen Strömungsstruktur in Folge des schmalen Axialspalts, wird im hinteren Radseitenraum zur Modellierung der Strömung ein angepasster Ansatz aus der Literatur verwendet.