Innerhalb moderner Kreiselpumpen befinden sich eine Vielzahl von durchströmten Spalten in Form von Gleitlagern und Dichtungen. Diese können sich in ihrer Geometrie, einer Profilierung der Spaltwände sowie den Betriebsbedingungen wesentlich unterscheiden. Alle durchströmten Spalte zeichnen sich jedoch durch eine Trag- und eine Dichtwirkung aus. Die Dichtwirkung beeinflusst den volumetrischen Wirkungsgrad und damit die Effizienz einer Maschine. Die Tragwirkung beeinflusst die Rotordynamik und bestimmt zulässige Betriebsbereiche. Aufgrund der steigenden Anforderungen an Turbomaschinen sind immer genauere Kenntnisse der durchströmten Spalte notwendig. In Wissenschaft und Industrie besteht dafür bei vielen Anwendungen Bedarf an schnellen Modellen. Hierfür eignet sich das Clearance-Averaged Pressure Model (CAPM), was sich für glatte Spalte bewährt hat. Hinsichtlich der weiteren Modellierung der Spaltströmung ergeben sich aus der Literatur zwei Forschungslücken: Erstens existiert kein konsistentes Modell für den mit dem Lomakin-Effekt verbundenen Eintrittsdruckverlust, weswegen es bisher keine systematischen Untersuchungen gibt. Zweitens kann eine Vorhersage oder gezielte Auslegung von häufig verwendeten profilierten Dichtungen nicht erfolgen, da keine zuverlässigen und validierten Modelle zur Verfügung stehen. Die drei Forschungsfragen der Arbeit beschäftigen sich daher konsequenterweise (i.) mit der Herleitung eines verallgemeinerten Modells für die Eintrittsrandbedingungen, (ii.) mit der Analyse und Modellierung der Strömung in profilierten Dichtungen und (iii.) mit dem Einfluss der fortgepflanzten Mess- und Parameterunsicherheit auf die Berechnung der stationären sowie der dynamischen Eigenschaften von durchströmten Spalten. Das verallgemeinerte Modell für die Eintrittsrandbedingungen (i.) berücksichtigt erstmals das rotierende Bezugssystem im dynamischen Fall, die Verteilung der Umfangsgeschwindigkeit am Spalteinlass, die mittlere Umfangsgeschwindigkeit im Plenum vor dem Spalt sowie die Umfangsverteilung des Druckverlustkoeffizienten. Für den stationären Fall bei laminarer Strömung zeigt sich, dass das CAPM mit dem verallgemeinerten Eintrittsmodell Ergebnisse liefert, die fast so genau wie CFD-Simulationen sind. Für den dynamischen Fall bei turbulenter Strömung ergibt sich bei Verwendung des verallgemeinerten Modells eine gute Übereinstimmung mit Messdaten. Eine Verbesserung gegenüber simpleren Ansätzen kann jedoch nicht festgestellt werden. Außerdem wird (ii.) die Strömung in der Nut einer Labyrinthdichtung untersucht. Anschließend wird ein Reibungsfaktormodell hergeleitet und aufwändig für Labyrinth- und Bohrlochdichtungen kalibriert, welches die Skalierung mit der Exzentrizität sowie mit sämtlichen weiteren Betriebs- und Geometrieparametern berücksichtigt. Die Reibungsfaktormodelle werden in das CAPM integriert und mit Messdaten für sechs unterschiedliche Labyrinth- und eine Bohrlochdichtung sowie für einen glatten Spalt validiert. Bei den Labyrinthdichtungen zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung des Modells für die Druckdifferenz. Bei den Kräften und rotordynamischen Koeffizienten kommt es zu Abweichungen. Bei der Bohrlochdichtung werden Tragkraft und Koeffizienten vom Modell gut vorhergesagt. Es kommt jedoch teilweise zu Abweichungen bei der Druckdifferenz. Gleichzeitig wurden fortgepflanzte Unsicherheiten (iii.) mittels CAPM in Verbindung mit der Monte-CarloMethode für den glatten Spalt und die Bohrlochdichtung berechnet und analysiert. Es kann teilweise davon ausgegangen werden, dass bei gegebener Messunsicherheit die Grenze der Auflösung des Modells erreicht ist.

Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2024