Kreiselpumpen

Die nahezu unerschöpfliche Vielfalt strömungstechnischer Erscheinungen - von der Strömung durch Blutbahnen über die Strömung in Kreiselpumpen bis zum weltweiten Wettergeschehen - beruht auf nur wenigen physikalischen Grundgesetzen. Im vorliegenden Kapitel sollen diese in Erinnerung gerufen und in ihrer Allgemeinheit beleuchtet werden. Dabei interessieren vor allem die Phänomene, die für den Pumpenbauer oder -betreiber besonders bedeutsam sind. Die Kenntnis strömungstechnischer Begriffe wird dabei vorausgesetzt. Im übrigen sei auf Lehrund Handbücher der Strömungsmechanik verwiesen, z.B. [1.1 bis 1.7] und [1.14].

Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen zum Fördern von Flüssigkeiten, deren Aufgabe darin besteht, einen bestimmten Volumenstrom auf ein spezifiziertes Druckniveau zu bringen. In Strömungsmaschinen beruht der Energieumsatz grundsätzlich auf hydrodynamischen Vorgängen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß alle Druck- und Energiedifferenzen proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit sind. Im Gegensatz hierzu stehen Verdrängerpumpen (z.B. Kolbenpumpen), die rein hydrostatisch wirken und deren Druckerhöhung unabhängig von Strömungsgeschwindigkeit oder Drehzahl erfolgt und sich allein entsprechend dem aufgeprägten Gegendruck einstellt.

Die strömungstechnische Berechnung einer Kreiselpumpe hat zum Ziel, die Hauptabmessungen und Schaufelwinkel von Laufrad und Leitapparat für eine spezifizierte Förderaufgabe festzulegen. Dazu müssen für den Berechnungspunkt (meist der Wirkungsgrad-Bestpunkt) Förderstrom, Förderhöhe und Drehzahl gegeben sein. Für diese Berechnung ignoriert man Sekundärströmungen und ungleichförmige Geschwindigkeitsverteilungen in Laufrad und Leitvorrichtung und ersetzt die reale durch eine idealisierte, eindimensionale Strömung (Stromfadentheorie). Für das Verständnis der Strömungsvorgänge sowie für den ersten Entwurf von Laufrad, Spiralgehäuse oder Leitrad und Rückführschaufeln hat sich die Betrachtung als Stromfaden bewährt - und zwar auch dann, wenn diese Komponenten anschließend mittels numerischer Methoden optimiert werden sollen.

Entsprechend den wechselnden Betriebserfordernissen arbeiten praktisch alle Pumpen zeitweise auserhalb des Auslegungspunktes, der durch q^* ß Q/Q_opt = 1 definiert ist; q^* Entsprechend den wechselnden Betriebserfordernissen arbeiten praktisch alle Pumpen zeitweise auserhalb des Auslegungspunktes, der durch q^*= Q/Q_opt = 1 definiert ist; q^*> 1 entspricht Überlast, wahrend der Betrieb bei q^* < 1 als Teillast bezeichnet wird. Die Kennlinien einer Pumpe beschreiben das Verhalten von Forderhohe, Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad als Funktion des Forderstromes (das Verhalten des NPSH = f(Q) wird in Kap. 6 behandelt). Der Verlauf der Leistungsgrosen uber den Bereich von Q = 0 bis zum maximal moglichen Forderstrom ist wichtig fur das Betriebsverhalten der Pumpe in der Anlage . z.B. bei Parallelarbeit oder beim Anfahren (s. Kap. 11). In der uberwiegenden Zahl von Anwendungen wird eine mit zunehmendem Forderstrom stetig fallende Forderhohe, also ∂H/∂Q > 0, verlangt, was man als .stabile Kennlinie bezeichnet. Weist die Kennlinie dagegen einen Bereich mit ∂H/∂Q > 0 auf, liegt eine „instabile“ Kennlinie vor, die bei Parallelarbeit oder flacher Anlagenkennlinie zu Problemen fuhren kann, Kap. 11. 1 entspricht Uberlast, wahrend der Betrieb bei q^* < 1 als Teillast bezeichnet wird. Die Kennlinien einer Pumpe beschreiben das Verhalten von Forderhohe, Leistungsaufnahme und Wirkungsgrad als Funktion des Forderstromes (das Verhalten des NPSH = f(Q) wird in Kap. 6 behandelt). Der Verlauf der Leistungsgrosen uber den Bereich von Q = 0 bis zum maximal moglichen Forderstrom ist wichtig fur das Betriebsverhalten der Pumpe in der Anlage . z.B. bei Parallelarbeit oder beim Anfahren (s. Kap. 11). In der uberwiegenden Zahl von Anwendungen wird eine mit zunehmendem Forderstrom stetig fallende Forderhohe, also ∂H/∂Q > 0 verlangt, was man als „stabile Kennlinie“ bezeichnet. Weist die Kennlinie dagegen einen Bereich mit ∂H/∂Q < 0 auf, liegt eine „instabile“ Kennlinie vor, die bei Parallelarbeit oder flacher Anlagen kennlinie zu Problemen fuhren kann, Kap. 11.

Wenn eine Pumpe wesentlich unter dem Bestpunktförderstrom arbeitet, spricht man von Teillastbetrieb; bei kleiner spezifischer Drehzahl kann man diesen etwa bei q^* < 0,8 - bei großem nq etwa bei q^* < 0,9 - annehmen. Weil Schaufeleintrittswinkel und Kanalquerschnitte für den reduzierten Förderstrom zu groß sind, ändert sich die Strömung im Teillastbereich gegenüber dem Auslegungspunkt grundsätzlich: sie wird stark 3-dimensional, und bei genügend niedrigem Durchfluß entstehen Ablösungen und schließlich Rückströmungen am Laufradeintritt und -austritt. Ein relativ einfaches Mittel, qualitativen Aufschluß über die Laufradströmung zu erhalten, sind stroboskopische Beobachtungen von Fadensonden. Auf diese Weise gewonnene Strömungsbilder in einem Radialrad von nq = 22 sind in Abb. 5.1 dargestellt [B.20]: man erkennt, daß die Strömung bei q^*> 0,8 anliegt, während bei geringerem Förderstrom zunehmend große Zonen mit Ablösung und Rückströmung beobachtet werden. Ähnliche Strömungsbilder wurden an Laufrädern von nq = 26 und 33 gefunden.

Begriffsbestimmungen: Unter Kavitation („Hohlraumbildung“) versteht man die teilweise Verdampfung von Flüssigkeit in einem durchströmten System. Ein dampferfüllter Hohlraum entsteht, wenn der statische Druck in einer Strömung infolge Übergeschwindigkeiten örtlich auf den Sättigungsdruck des Fluids absinkt, so daß etwas Flüssigkeit verdampft und in einem kleinen Gebiet des Strömungsraumes eine Zweiphasenströmung entsteht. Der Dampf kondensiert schlagartig („implodiert“), sobald er stromabwärts in Zonen transportiert wird, wo der statische Druck den Sättigungsdruck wieder übersteigt. Mit zunehmendem Ausmaß der Kavitationszonen, bzw. der Gebiete mit Zweiphasenströmung, werden Förderhöhe und Wirkungsgrad der Pumpe beeinträchtigt, Lärm und Schwingungen angeregt und u.U. Bauteile durch Kavitationserosion beschädigt. Bei Verwendung des Begriffes „Kavitation“ ist zwischen der „Kavitationsströmung“ - d.h. dem Auftreten lokaler Gebiete mit Zweiphasenströmung - und „Kavitationserosion“ bzw. Kavitationsschäden zu unterscheiden.

In diesem Kapitel werden eindimensionale Berechnungsverfahren und Entwurfsmethoden für Laufräder, Spiralgehäuse, Leiträder und Einlaufgehäuse behandelt. Bei der Entwicklung dieser Komponenten berechnet man zunächst die Hauptabmessungen und Schaufelwinkel und konstruiert dann die hydraulischen Konturen aufgrund bestimmter Regeln und Methoden. Bei vielen Pumpenherstellern werden für diese Arbeiten Rechenprogramme eingesetzt und die Zeichnungen auf 2DCAD- Systemen erstellt. Doch auch diese Verfahren werden mehr und mehr durch 3D-CAD-Systeme verdrängt, mit denen sich voll dreidimensionale Geometriemodelle eines Bauteils erstellen lassen (Abb. 2.2a, u. 7.45). Mittels solcher Modelle können die komplexen hydraulischen Kanäle weit besser beurteilt werden als mit der herkömmlichen zweidimensionalen Darstellung in verschiedenen Schnitten und Ansichten.

Die Druckerhöhung im Laufrad führt zu hydraulischen Kräften und Momenten, die auf den Rotor wirken. Für die Dimensionierung von Lagern und Welle sind vor allem die Kräfte in axialer und radialer Richtung bedeutsam. Während die Radialkraft von der Druckverteilung über den Laufradumfang abhängt, wird die Axialkraft von der Strömung im Radseitenraum und der aus ihr resultierenden Druckverteilung auf die Radscheiben bestimmt.

Wechselwirkungen zwischen Rotor und Stator machen die Strömung in Kreiselpumpen instationär. Als Folge davon treten hydraulische Erregerkräfte auf, die Wellenschwingungen und Wechselbeanspruchungen an Bauteilen erzeugen; es werden Schwingungen auf das Fundament übertragen, die sich als Körperschall im Gebäude ausbreiten; es entstehen Druckpulsationen, die als Flüssigkeitsschall in Rohrleitungen abgestrahlt werden und über die Erregung des Pumpengehäuses Luftschall erzeugen.

Während eine Verdrangerpumpe bei fester Drehzahl unabhangig vom Gegendruck nahezu einen konstanten Volumenstrom liefert, hangt der Forderstrom einer Kreiselpumpe von der zu erbringenden Druckdifferenz ab. Diese Druckdifferenz ∆p = ρ g H_A wird von der Anlage bestimmt, in der die Pumpe arbeitet. Infolge von Stromungsverlusten hangt sie im allgemeinen vom Volumenstrom ab. Unter Anlagenkennlinie H_A = f(Q) ist somit die Totaldruckhohendifferenz nach Tafel 2.2 zu verstehen, die dem System aufzupragen ist, um einen bestimmten Durchflus aufrechtzuerhalten. Der Arbeitspunkt einer Kreiselpumpe ergibt sich als Schnittpunkt der Anlagen- und Pumpenkennlinien, Abb. 11.1.

Rückwärtslaufende Kreiselpumpen können als Turbinen zur Energierückgewinnung in Verfahren eingesetzt werden, in denen große Flüssigkeitsströme in Drosselarmaturen entspannt werden. In manchen Prozessen werden bei der Entspannung gelöste Gase frei, so daß eine 2-Phasenströmung mit größerem Energieinhalt entsteht (Kap. 13.3).

Beim Pumpen von Flüssigkeiten, deren Viskosität groß gegenüber der Zähigkeit von kaltem Wasser ist, treten in einer Kreiselpumpe zusätzliche Verluste auf, so daß die mit Wasser bestimmten Leistungsdaten und Kennlinien nicht mehr ohne Korrektur angewandt werden dürfen. Zähen Flüssigkeiten dieser Art begegnet man bei Erdölgewinnung, -verarbeitung und -transport sowie in verfahrenstechnischen Prozessen.

Werkstoffabnützung oder -versagen infolge der vielfältigen Erscheinungsformen von Ermüdung, Korrosion, Abrasion und Kavitationserosion verursachen den Pumpenbetreibern immer wieder erhebliche Kosten, die in den meisten Fällen durch sorgfältige Materialwahl zu vermeiden wären. Falsche Werkstoffwahl beruht häufig auf zwei Ursachen: (1) die korrosiven Eigenschaften des Fördermediums sind zu wenig klar spezifiziert (oder bekannt) oder (2) aus Kostengründen (Konkurrenzdruck) wird - zum Nachteil des Betreibers - das billigste Material eingesetzt, das gerade noch vertretbar erscheint.

Probleme beim Pumpenbetrieb sind häufig darauf zurückzuführen, daß die Pumpe nicht optimal oder gar falsch ausgewählt wurde. Zur Selektion einer ungeeigneten Pumpe kann es kommen, wenn die Betriebs- und Einbaubedingungen in der Anlage ungenügend bekannt sind oder nicht sorgfältig genug beachtet und analysiert werden.