Autor: Yujun Sha

Kurzfassung In dieser Arbeit wurden das Strömungs- und Partikelbewegungsverhalten in einer Kesselumwälzpumpe sowie im druckseitigen Radseitenraum und Dichtspalt der Pumpe untersucht. Solche Pumpen werden in der Regel verwendet, um Wasser bei hohen Temperaturen und Drücken in Systemen für Kraftwerkskessel zu pumpen. Wegen des Hochdrucks (> 100 bar) und den daraus resultierenden Axialkräften, ist das Abdichten der Pumpenwelle äußerst komplex, weshalb die Pumpe und der Antriebsmotor solcher Maschinen zu einer integralen Einheit mit Wärmesperre zwischen Pumpen- und Motorteil ausgelegt werden. Da die axiale Belastung generell durch die Axiallager getragen wird, sind diese ein fragiler Teil der Pumpe. In dieser Arbeit wurde der Ausgleich des Axialschubs durch Entlastungsbohrungen im Laufrad erreicht. Hierbei wurde der Einfluss der Entlastungsbohrungen auf die Pumpenleistung untersucht. Hierfür werden 3D CFD-Simulationen für eine Kesselumwälzpumpe mit und ohne Entlastungsbohrungen im Laufrad durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden durch entsprechende Messungen validiert. Die Kennlinien der Umwälzpumpe wurden bei einer Temperatur und einem Druck ( =26 , = 0, 1316 MPa) sowie bei einer hohen Temperatur und hohem Druck ( =380 , = 32 MPa) ermittelt und die beiden Kennlinien wurden miteinander verglichen. Die simulierten Ergebnisse bei niedriger Temperatur und Druck wurden mit Messungen validiert. In vielen Anwendungsfällen solcher Pumpen, enthält das Fördermedium feine Feststoffpartikeln, die beispielweise durch Abrasion hervorgerufen werden können. In dieser Arbeit wurde die Bewegung von Partikeln unterschiedlicher Stoffe und mit unterschiedlichem Durchmesser in der Pumpe numerisch berechnet. Es wurde gezeigt, dass die Partikeln durch den Spalt zwischen Laufrad und Diffusor in den druckseitigen Radseitenraum eintreten können. Anschließend wurden das Strömungs- und Partikelbewegungsverhalten im druckseitigen Radseitenraum untersucht. Mit der zunehmenden Drehzahl wurden unterschiedliche Strömungsformen beobachtet. Für verschiedene Strömungsformen werden die entsprechenden Geschwindigkeitsverteilungen dargestellt. Auf Basis der Simulationsergebnisse wird das approximative Gleichungen beschrieben. Aufbauend auf die Strömung wurden die Flugbahnen für Partikeln unterschiedlicher Stoffe und Durchmesser berechnet, um zu prüfen, ob sie in den Dichtspalt gelangen können. Kurzfassung iv Der Dichtspalt stellt eine Taylor-Couette System dar. Die Simulationen der Strömung im Dichtspalt werden sowohl im laminaren als auch im turbulenten Bereich durchgeführt, um die Wirbeleigenschaften in den verschiedenen Bereichen zu vergleichen. Die kritische Taylor- Zahl, ab der die laminare Strömung in die laminare Strömung mit Taylor-Wirbel übergeht und die vom Radiusverhältnis abhängig ist (das Verhältnis des Radius des rotierenden Innenzylinders zum Radius des ruhenden Außenzylindermantels), wurde durch Simulation bestätigt und mit den Untersuchungen von anderen Autoren verglichen. Außerdem werden die Strömungseigenschaften z.B. die Geschwindigkeitsverteilung entlang der Spaltbreite untersucht. Das Partikelbewegungsverhalten im Dichtspalt wurde bei kleiner Spaltbreite ohne Durchfluss untersucht. Dies wurde für verschiedene Partikelgrößen in turbulenter Strömung ohne und mit Taylor-Wirbel dargestellt. Ob die Partikeln absinken, hängt von Eigenschaften der Fördermediums, der Geometrie des Modells, der Stokes-Zahl und Eigenschaften der Partikeln selbst ab. Es besteht daher die Möglichkeit, bei Unterbrechung der Förderung der Kreiselpumpe die Welle mit einer kleiner Winkelgeschwindigkeit in Bewegung zu halten, um das Absinken der kleinen Partikeln durch den Einfluss der Strömung zu vermeiden. Abschließend wurden konstruktiven Änderungen untersucht, mit denen das Eindringen von Partikeln in den Motorraum verringert werden kann. Zunächst wurde der Einfluss der konstruktiven Änderung im druckseitigen Radseitenraum in Verbindung mit den Entlastungsbohrungen auf das Strömungs- und Partikelbewegungsverhalten diskutiert. Die kleinen Partikeln strömen durch die Entlastungsbohrung aus dem Radseitenraum aus. Ein Teil davon wird vom im Radseitenraum neu hinzugefügten zylindrischen Ring zurückgehalten. Dann wurde eine Welle mit spiraler Wendelnut auf einem Teil der Oberfläche eingesetzt. Solch eine Wendelnut verhindert das Absinken der Partikeln. Die Sedimentation kann ab einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit unterdrückt werden, da die Partikeln immer wieder aufgewirbelt werden.