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Numerical and experimental investigation on the flow in rotor-stator cavities

Hu, Bo

The leakage flow (centripetal or centrifugal through-flow) can be found in the side cavities between the rotor and the stationary wall in nearly all kinds of radial pumps and turbines. The cavity flow has a strong impact on the disk friction loss, leakage loss, which in this way influence the efficiency of radial pumps and turbines. Many more effects are related to the side cavity flow, such as the resulting axial force on the impeller and rotordynamic. To better understand the effects the flow in rotor-stator cavities is investigated by means of analytical, numerical and experimental approaches in this thesis. In chapter 1 and chapter 2, the research status and the progress for the core swirl ratio, the axial thrust coefficient and the moment coefficient are introduced. In chapter 3, the design of the test rig is described. The uncertainties of the experimental parameters are estimated. The experimental results from the test rig are also compared with those from literature to show that the results from the test rig are reliable. In chapter 4, the numerical simulation set-up is illustrated. To minimize the error, the selection of a turbulence model and the generation of the mesh are accomplished. The simulation results are in good agreement with those from the literature, indicating that the numerical simulation set-up is reasonable. In chapter 5, the experimental results are presented for the core swirl ratio, the axial thrust coefficient and the moment coefficient. The former correlations for the core swirl ratio are modified based on the pressure measurements of the author and are extended by introducing the impact of surface roughness. The values of core swirl ratio deduced from the pressure measurements are in good agreement with the simulation results. Correlations for the axial thrust coefficient are determined which cover the impact of global Reynolds number, axial gap width, through-flow coefficient, surface roughness for both centripetal and centrifugal through-flow. The experimental results for the moment coefficient are also compared with those from the correlations in the literature according to the flow regimes, where a large gap occurs. The gap is explained by the difference of surface roughness. The former correlations therefore are modified by introducing the surface roughness based on the torque measurements with rough disks. Some experimental results are also provided to understand how the pre-swirl impacts the above mentioned parameters. In chapter 6, two examples are presented on the applications of the results in this thesis. The first example is to accomplish the geometry optimization of the rear chamber of a submersible multi-stage slurry pump based on the flow pattern. The service life of the pump is dramatically improved by around 30%. The second example is to predict the axial thrust for a deep-well pump. The axial thrust from the correlation is also in good agreement with the experimental results. The applications indicate that the results in this thesis should be reasonable. All the results will provide a database for the calculation of the axial thrust and the frictional loss in order to better design radial pumps and turbines.

Der Leckagestrom (Zentripetale oder Zentrifugale Durchströmungrichtung) kann in fast allen Arten von Radialpumpen und Turbinen in den seitlichen Hohlräumen zwischen dem Rotor und der stationären Wand gefunden werden. Die strömung in der Kavität hat einen starken Einfluss auf den Reibungsverlust der Scheibe, den Leckageverlust, der auf diese Weise die Effizienz von Radialpumpen und Turbinen beeinflusst. Viele weitere Effekte sind verbunden mit der Seitenkavitätsströmung, wie z.B. die resultierende Axialkraft auf das Laufrad und die Rotordynamik. Um die Effekte besser zu verstehen, in dieser Arbeit wird die Strömung in Rotor-Stator-Kavitäten mit analytischen, numerischen und experimentellen Ansätzen untersucht. In Kapitel 1 und Kapitel 2 werden der Forschungsstand und der Fortschritt für das Kernrotationsfaktor, die Druckverteilung, den axialen Schubkoeffizienten und den Momentenkoeffizienten vorgestellt. In Kapitel 3 wird das Design des Prüfstands beschrieben. Ungewissheiten der experimentellen Parameter werden geschätzt. Die experimentellen Ergebnisse des Versuchsstandes werden ebenfalls mit denen aus der Literatur verglichen, um zu zeigen, dass die Ergebnisse des Versuchsstandes zuverlässig sind. In Kapitel 4 ist der Aufbau der numerischen Simulation dargestellt. Die Auswahl des Turbulenzmodells und die Erzeugung des Netzes wird durchgeführt, um den Fehler zu minimieren. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit denen aus der Literatur überein. In Kapitel 5 werden die experimentellen Ergebnisse für das Kernrotationsfaktor, den axialen Schubkoeffizienten und den Momentenkoeffizienten vorgestellt. Die früheren Korrelationen für das Kernrotationsfaktor werden basierend auf den Druckmessungen des Autors modifiziert und durch die Einführung des Einflusses der Oberflächenrauhigkeit erweitert. Die Werte des Kerndrallverhältnisses aus den Druckmessungen stimmen gut mit den Simulationsergebnissen überein. Die Korrelationen für den Axialschubkoeffizienten sind so bestimmt, dadurch der den Einfluss der globalen Reynolds-Zahl, der axialen Spaltbreite, des Durchströmungskoeffizienten und der Oberflächenrauhigkeit sowohl für den zentripetalen als auch den zentrifugalen Durchfluss abdeckt. Die experimentellen Ergebnisse des Momentenkoeffizienten werden auch mit denjenigen aus den Korrelationen von Daily und Nece gemäß den Strömungsregimen verglichen, in denen ein großer Spalt auftritt. Der Spalt erklärt sich durch die Differenz der Oberflächenrauhigkeit. Die früheren Korrelationen werden daher modifiziert, indem die Oberflächenrauhigkeit basierend auf den Drehmomentmessungen mit groben Scheiben eingeführt wird. Einige experimentelle Ergebnisse werden auch bereitgestellt, um zu verstehen, wie der Vordrall über die Parameter wirkt. In Kapitel 6 werden zwei Beispiele zu den Anwendungen der Ergebnisse dieser Studie vorgestellt. Das erste Beispiel ist um die Geometrieoptimierung der hinteren Kammer einer mehrstufigen Tauchschlammpumpe auf der Grundlage des Strömungsmusters zu rerreichen. Die Lebensdauer der Pumpe wird drastisch um ca. 30% verbessert. Das zweite Beispiel ist die Vorhersage des Axialdrucks für eine Tiefbrunnenpumpe. Der Axialschub aus der Korrelation stimmt ebenfalls gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Die Ergebnisse zeigen, dass die Korrelationen in dieser Studie angemessen sein sollten. Alle Ergebnisse liefern eine Datenbasis für die Berechnung von Axialschub und Reibungsverlust, um Radialpumpen und Turbinen besser zu entwerfen.

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Hu, Bo: Numerical and experimental investigation on the flow in rotor-stator cavities. 2018.

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