Untersuchung der Strömung

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.