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Über dieses Buch

Die Wissenschaft der Kreiselpumpen in einem Buch

Die komplexen Funktionen der Kreiselpumpe regen immer wieder neue Forschungsprojekte an. Dementsprechend müssen auch erfahrene Ingenieure ihr Wissen über Pumpen ständig überprüfen und erweitern. Dieses Buch fasst die bisherigen Forschungsergebnisse zum Thema Kreiselpumpen zusammen und verschafft Lesern einen Überblick zum derzeitigen Stand der Technik. Dabei liegt der Fokus auf hydraulischen Problemen, die es beim Bau von Pumpenanlagen zu überwinden gilt.

Pumpensysteme in Theorie und Praxis

Die aktuelle Ausgabe bezieht viele Erkenntnisse zur Strömungslehre mit ein, die Wissenschaftler in den letzten Jahren gewonnen haben. Das Handbuch zielt jedoch nicht allein darauf ab, theoretische Grundlagen zu vermitteln. Vielmehr zeigt es mithilfe von anschaulichen Beispielen, wie die Grundlagen der Hydraulik praktisch angewandt werden. Davon profitieren vor allem Fachkräfte in folgenden Bereichen:

• Pumpenbau

• Anlagenplanung

• Pumpenbetrieb

Nur wenn Ingenieure physikalische Abläufe richtig erfassen, können sie daraus Lösungsansätze für konkrete Problemstellungen entwickeln. Zu diesem Zweck finden Leser auf 160 Tafeln und Tabellen alle wichtigen Fakten und Zusammenhänge.

Hydraulische Kräfte verstehen und anwenden

Für die fünfte Ausgabe hat der Autor Johann F. Gülich sein Buch über Kreispumpen umfassend überarbeitet. Zu den thematischen Ergänzungen zählen:

• Schwingungen an Vertikalpumpen

• Messungen zu hydraulischen Erreger- und Laufrad-Reaktionskräften

• Wechselspannungen und Ermüdungsbrüche von Laufrädern

• eine kontroverse Untersuchung zur Genauigkeit der Berechnungen von 3D-Strömungsvorgängen

• Auslegung von Einlaufgehäusen und Doppelspiralen für mehrstufige Pumpen

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Allgemeine strömungstechnische Grundlagen

Zusammenfassung
In Kapitel 1 werden einige Themen aus der Strömungstechnik behandelt, die für den Pumpenspezialisten besonders relevant sind: Erhaltung von Masse, Energie und Impuls, Grenzschichten, Strömung auf gekrümmten Bahnen und Wirbel, hydraulische Verluste und Behandlung von Rauigkeiten, Diffusoren, Fluidstrahlen, Ausgleich ungleichförmiger Geschwindigkeitsprofile und Rohrleitungsnetze.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 2. Bauarten und Leistungsdaten

Zusammenfassung
Kapitel 2 liefert eine Einführung in die Technik der Kreiselpumpen: Wirkungsweise und Aufbau, Spezifische Förderarbeit , Leistung und Wirkungsgrad, Netto-Energiehöhe im Saugstutzen (NPSH), Kennlinien, Pumpentypen und ihre Anwendung mit zahlreichen Schnittzeichnungen und Kennzahlen sowie einige Sonderbauarten wie Seitenkanalpumpen. Berechnung und Auslegung der Pumpen werden in Kapitel 3 und 7 behandelt, während die Pumpenauswahl in Kap. 15 vertieft wird.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 3. Grundlagen der hydraulischen Berechnung

Zusammenfassung
In Kap. 3 werden die Berechnungsverfahren behandelt, die im Wesentlichen allen Laufrädern und Leitvorrichtungen, unabhängig von der spezifischen Bauart, gemeinsam sind. Die Einzelheiten von Berechnung, Konstruktion und Gestaltung der verschiedenen Typen von Laufrädern und Leitapparaten werden dagegen in Kap. 7 besprochen. Die Energieübertragung im Laufrad wird nach der Stromfadentheorie behandelt, wobei die Strömungsumlenkung mit einem Abströmbeiwert (Minderumlenkung) erfasst wird. Weitere Themen: Ähnlichkeitsgesetze, Spezifische Drehzahl, Leistungsbilanz und Wirkungsgrade, Berechnung der Nebenverluste (Radreibung, Leckverluste, Berechnung der Leitvorrichtung, Hydraulische Verluste, Angaben über Druckzahlen, Wirkungsgrade und Verluste, Einfluss der Rauigkeit und der Reynolds-Zahl.In Kap. 3 werden die Berechnungsverfahren behandelt, die im Wesentlichen allen Laufrädern und Leitvorrichtungen, unabhängig von der spezifischen Bauart, gemeinsam sind. Die Einzelheiten von Berechnung, Konstruktion und Gestaltung der verschiedenen Typen von Laufrädern und Leitapparaten werden dagegen in Kap. 7 besprochen. Die Energieübertragung im Laufrad wird nach der Stromfadentheorie behandelt, wobei die Strömungsumlenkung mit einem Abströmbeiwert (Minderumlenkung) erfasst wird. Weitere Themen: Ähnlichkeitsgesetze, Spezifische Drehzahl, Leistungsbilanz und Wirkungsgrade, Berechnung der Nebenverluste (Radreibung, Leckverluste, Berechnung der Leitvorrichtung, Hydraulische Verluste, Angaben über Druckzahlen, Wirkungsgrade und Verluste, Einfluss der Rauigkeit und der Reynolds-Zahl.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 4. Kennlinien

Zusammenfassung
Die Kennlinien beschreiben das Verhalten von Förderhöhe, Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad als Funktion des Förderstromes (der Verlauf des NPSH wird in Kap. 6 behandelt). Nach Einführung der Verluste ergeben sich die realen aus den theoretischen Kennlinien. Die Beiträge von Laufrad und Leitapparat zur Förderhöhe lassen sich durch Messung der Komponentenkennlinien ermitteln. Hieraus ergeben sich wertvolle Einsichten zur Stabilität der Q-H-Kurven und zum Betrieb bei Q = 0. Teillastströmungen werden ausführlich in Kap. 5 besprochen. Die Kennlinien können durch Abdrehen oder Nacharbeit an den Schaufelaustrittskanten den Erfordernissen in der Anlage angepasst werden. Tafel 4.3 und 4.4 erlauben die Analyse und Berechnung von Kennlinienabweichungen und -änderungen.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 5. Teillastverhalten. Dreidimensionale Strömungsvorgänge und ihre Wirkung auf die Kennlinien

Zusammenfassung
Im Teillastbetrieb zwischen Bestpunkt und Q = 0 löst die Strömung in Laufrad und Leitapparat ab, und es treten Rückströmungen auf. Bei Radialpumpen flacht die Q-H-Kennlinie ab, und es können Instabilitäten auftreten. Druckpulsationen und hydraulische Erregerkräfte wachsen mit abnehmendem Förderstrom (Kap. 10). In Kap. 5 werden behandelt: Physikalische Mechanismen und Strömungsformen in Laufrad und Leitapparat bei Strömungsablösung und Rückströmung, deren Auswirkungen auf die Kennlinienstabilität, Massnahmen zur Beseitigung von Instabilitäten und Beeinflussung der Nullförderdaten, sowie spezifische Aspekte der Strömung in Axialpumpen, doppelflutigen Laufrädern und Doppelspiralen. Rückströmbeginn und Intensität der Rückströmung wurden aufgrund von Messdaten berechnet; die Übertragung auf andere Pumpen ist aber unsicher.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 6. Saugverhalten und Kavitation

Zusammenfassung
Bei Verwendung des Begriffs „Kavitation“ ist zwischen der „Kavitationsströmung“ – d. h. dem Auftreten lokaler Gebiete mit Zweiphasenströmung – und „Kavitationserosion“ bzw. Kavitationsschäden zu unterscheiden. Behandelte Themen: Blasendynamik, Kavitation in Laufrad und Leitrad, erforderlicher NPSH-Wert, Kavitationskriterien für NPSHR-Werte, Modellgesetze für Kavitationsströmungen, Messung des erforderlichen NPSHR-Wertes, Einfluss der Fluideigenschaften, thermodynamische Einflüsse, nichtkondensierbare Gase, Nuclei, Kavitationsbedingte Schwingungen und Geräusche, Kavitationsschallmessungen zur Quantifizierung der hydrodynamischen Kavitationsintensität, Kavitationserosion, Kavitationswiderstand, Vorausberechnung von Kavitationsschäden aufgrund der Blasenfeldlänge, und des Flüssigkeitsschalls, Körperschallmessungen zur Kavitationsdiagnose, Farberosionsversuche zur Bestimmung des Implosionsortes, Erosionsschwellwert und Materialverhalten bei verschiedenen hydrodynamischen Kavitationsintensitäten, Wahl des Zulaufdruckes in der Anlage (NPSHA), Kavitationsschäden: Analyse und Abhilfe, Kavitationsformen und typische Arten von Kavitationsschäden in Laufrädern, Leiträdern und Spiralgehäusen.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 7. Berechnung und Entwurf der hydraulischen Komponenten

Zusammenfassung
Kapitel 7 bringt Berechnungs- und Entwurfsverfahren für radiale, halbaxiale und axiale Laufräder und Leiträder, sowie Spiralgehäuse und Einlaufgehäuse. Spezifische Angaben werden geliefert für Sauglaufräder zur Optimierung der Kavitationseigenschaften, für Abwasserpumpen mit 1, 2 oder 3 Schaufeln, für spezielle Laufradformen für kleine spezifische Drehzahlen (nq = 1 bis 12), den Axialradentwurf nach Tragflügeltheorie sowie für Berechnung und Entwurf von Vorsatzläufern. Besonders hinzuweisen ist auf die Entwicklung eines voll-analytischen Verfahrens für den Laufradentwurf, mit dessen Hilfe die willkürlich-zufällige Formgebung der Laufräder vermieden werden kann, die bei den herkömmlichen Entwurfsverfahren durch individuelles Vorgehen unvermeidlich sind.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 8. Numerische Strömungsberechnungen

Zusammenfassung
Kommerzielle Programme zur numerischen Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen für 3D- Strömungen (3D-NS) werden universell eingesetzt. Theorie und Instruktionen für den Programmeinsatz erhält der Anwender aus der Programmdokumentation. Kapitel 8 konzentriert sich daher eher auf Besonderheiten und Probleme beim Einsatz von 3D-NS für verzögerte Strömungen auf gekrümmten Bahnen in Kreiselpumpen, bei denen die Wechselwirkung zwischen Haupt- und Radseitenraumströmung (sowie Leckströme durch Spaltdichtungen) erschwerend hinzukommen. Turbulenzmodellierung und Wandgesetze können diese Strömungen nur unvollkommen beschreiben, da sie aus einfachen Geometrien abgeleitet wurden. Zwei-Phasen- und Kavitationsströmungen steigern diese Schwierigkeiten erheblich. Fokus-Themen: Berechnungsstrategien, Unsicherheiten, Fehlerquellen, Qualitätssicherung bei CFD-Rechnungen, Vergleich zwischen Rechnung und Messung, Genauigkeit numerischer Berechnungen, empfohlene CFD-Rechenparameter sowie Postprozessing und Kriterien für die Beurteilung numerischer Berechnungen.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 9. Hydraulische Kräfte

Zusammenfassung
In Kap. 9 werden im Wesentlichen stationäre Kräfte behandelt, während instationäre Strömungen und deren Einfluss auf Schwingungen und Lärm in Kap. 10 erörtert werden. Themen: Strömung und Druckverteilung im Radseitenraum mit Einfluss der Leckströme durch Spaltdichtungen, Axialkraftberechnung und -ausgleich für ein- und mehrstufige Pumpen, doppelflutige Laufräder, halboffene Laufräder, instationäre Axialkräfte. Radialkräfte werden durch ungleichförmige Strömungs- und Druckverteilung im Austrittsgehäuse (Einfach- und Doppelspiralen, Leiträder, Ringräume) verursacht aber auch durch ungleichförmige Zuströmung. Die in Einkanalrädern erzeugten synchronen Radialkräfte werden in Kap. 9.3.9 besprochen. Radialkraftausgleich, Radialkraftberechnung und Messung von Radialkräften.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 10. Schwingungen und Geräusche

Zusammenfassung
Themen in Kapitel 10: Instationäre Strömungsvorgänge am Laufradaustritt, Druckpulsationen und Flüssigkeitsschall, Bauteilbeanspruchung durch instationäre Strömungsvorgänge, Abstrahlung von Luftschall und Körperschall, Rotordynamik, Lagergehäuseschwingungen, Hydraulische Schwingungsanregung, Richtlinien für die Konstruktion schwingungsarmer Pumpen, Schwingungsdiagnose, Hydraulische und akustische Anregung von Rohrleitungsschwingungen, Torsionsschwingungen, Schwingungen von Vertikalpumpen, Fallbeispiele und Richtlinien.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 11. Verhalten der Kreiselpumpen in Anlagen

Zusammenfassung
Themen in Kapitel 11: Anlagenkennlinien und Arbeitspunkt; Einzelbetrieb, Parallel- und Reihenschaltung; Drossel-, Drehzahl-, Bypass-, Vordrallregelung; Statische und dynamische Stabilität; Anfahren und Abschalten; Ausfall des Antriebes, Druckstoß; Zulässiger Betriebsbereich und Erwärmung des Fluids durch Verluste; Thermometrische Wirkungsgradmessung; der Pumpenzulauf: Zulaufleitungen, Transientes Absinken des Zulaufdrucks, Einlaufbauwerke und Zulauf aus Behältern mit freiem Fluidspiegel; Topfpumpen; Druck- und Heberleitungen.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 12. Turbinenbetrieb. Allgemeines Kennfeld

Zusammenfassung
Rückwärtslaufende Kreiselpumpen können als Turbinen betrieben werden, z. B. zur Energierückgewinnung beim Entspannen von Flüssigkeiten. Die Berechnung der theoretischen wie der realen Kennlinien, sowie der Widerstands- und Leerlaufkennlinien erfolgt aufgrund empirischer Korrelationen, ggf. mithilfe von Verlustanalysen. Pumpen können in 8 Quadranten in Pump-, Turbinen- und Bremsbetrieb arbeiten. Diese Angaben werden für Störfallanalysen benötigt.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 13. Einfluss des Fördermediums

Zusammenfassung
Wenn Kreiselpumpen Fluids fördern, deren Eigenschaften wesentlich vom Wasser abweichen, werden die Kennlinien nach empirischen Verfahren von Wasser auf das zu pumpende Medium umgerechnet. Fünf Fälle werden behandelt: 1. Förderung von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität: Wirkung der Viskosität auf Einzelverluste und Kennlinie, Umrechnung der Kennlinien von Wasser auf viskose Medien, Verlustanalyse, Empirische Verfahren. 2. Förderung von Gas-Flüssigkeits-Gemischen: Phasenverteilung in der Rohrströmung und in der Pumpenströmung, Empirische Behandlung von isothermen oder polytropen Zweiphasenströmungen, Verhalten von Kreiselpumpen bei Gas-Flüssigkeits-Förderung, Helico-axiale Mehrphasenpumpen. 3. Entspannung von Zweiphasengemischen in Turbinen. 4. Hydraulischer Feststofftransport. 5. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten insbesondere Papierstoff.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 14. Werkstoffwahl für hohe Geschwindigkeiten

Zusammenfassung
Themen: 1. Ermüdungsbrüche an Laufrädern oder Leiträdern: Zulässige Förderhöhe pro Stufe, Laufradbrüche – Analyse und Vorausberechnung. 2. Korrosion: Korrosionsmechanismen, Korrosion in Trinkwasser, Kühlwasser, Abwasser, Korrosion in Meerwasser und Lagerstättenwasser, Erosionskorrosion in vollentsalztem Wasser (Berechnung der Abtragsraten). 3. Materialwahl und zulässige Geschwindigkeiten: Definition häufig vorkommender Fördermedien, Metallische Pumpenwerkstoffe für Laufräder, Leiträder, Gehäuse, Spaltringwerkstoffe, Werkstoffe für mediumsberührte Wellen, Werkstoffe für Speisewasser- und Kondensatpumpen sowie REA-Pumpen, Verbundwerkstoffe. 4. Hydroabrasiver Verschleiß: Einflussparameter, Quantitative Verschleißabschätzung, Materialverhalten und Feststoffeinfluss, Erosionsformen als Spiegelbild der Strömung.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 15. Zur Auswahl und Qualität von Kreiselpumpen

Zusammenfassung
Eine sorgfältig erstellte Pumpenspezifikation, die alle relevanten Bedingungen in der Anlage analysiert, ist Voraussetzung für die korrekte Bestimmung von Pumpentyp und Baugröße. Eine Liste technischer Qualitätskriterien erlaubt es, eine Pumpenauswahl oder ein Angebot bezüglich strömungstechnischer Kriterien zu evaluieren. Die hydraulischen Komponenten müssen, je nach Erfordernissen des Einsatzgebietes, innerhalb empfohlener geometrischer Toleranzen liegen, die in Tafel 15.2 angegeben werden. Es wurde verschiedentlich versucht, den Begriff «Hochleistungspumpen» zur Definition von Qulaitätserfordernisses zu verwenden. Möglichkeiten hierzu werden in Kap. 15.4 diskutiert.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 16. Versuche an Kreiselpumpen

Zusammenfassung
Versuche an Pumpen werden durchgeführt, um Leistung und Funktionsfähigkeit zu überprüfen, um die Ursachen von Betriebsstörungen herauszufinden, und um hydraulische Komponenten zu entwickeln. Hierzu dienen offene und geschlossene Versuchskreisläufe, deren Konfiguration einen großen Einfluss auf die Versuchskosten und die Zuverlässigkeit der Messungen ausübt. Der erste Teil von Kap. 16 widmet sich diesem Gegenstand. Weitere Themen: 1. Instrumentierung für die Messung von Drücken, Volumenströmen, Drehmoment und Leistung. 2. Versuchsvorbereitung und -durchführung. 3. Versuchsauswertung und Genauigkeit. 4. Mögliche Probleme bei Versuchen und Abhilfe.
Johann Friedrich Gülich

Kapitel 17. Allgemeine Daten und Formeln

Zusammenfassung
Kapitel 17 liefert: Umrechnung von Maßeinheiten; Eigenschaften von Wasser in Tabellenform und als einfache Näherungsgleichungen; Löslichkeit von Gasen in Wasser; Normen zu den Qualitätsanforderungen an Gussstücke; Atmosphärischer Druck als Funktion der Höhe über dem Meeresspiegel; Fallbeschleunigung als Funktion des Breitengrades und der Höhe über dem Meeresspiegel; Abschätzungen der Schallgeschwindigkeit in Flüssigkeiten; Grundbegriffe der mechanischen Schwingungen (Eigenschaften der Einmassenschwinger); Formeln für Eigenfrequenzen einfacher Strukturen; Eine ausführliche Spezifikation für die hydraulische Auslegung.
Johann Friedrich Gülich

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