Radiale Kreiselpumpen

Zur Förderung von Trinkwasser und zur Bewässerung von Feldern sind Pumpen bereits im Altertum bekannt. Meist handelte es sich dabei um Göpelwerke, die von Tier- oder Menschenkraft angetrieben wurden. Im späten Mittelalter wurden bereits Kolbenpumpen verwendet. Aus unserer Zivilisation sind Pumpen nicht mehr wegzudenken, wenngleich man sich in der Öffentlichkeit kaum Gedanken darüber macht, wieso das Wasser fließt, wenn man den Hahn aufdreht und wo das Abwasser bleibt. Es ist wahrscheinlich auch nur wenig bekannt, wo überall Pumpen im Einsatz sind.

Allgemeine Beschreibung der Wirkungsweise der Kreiselpumpe und der grundlegenden physikalischen Zusammenhänge. Im Gegensatz zur Verdrängerpumpe, in welcher der Druck unmittelbar durch Volumenänderung erzeugt wird, wird in der radialen Kreiselpumpe nur ein Teil des Druckes unmittelbar (durch Fliehkräfte und Verzögerung im Laufrad) erzeugt, während der Rest als Geschwindigkeitsenergie das Laufrad verlässt und im nachgeschalteten Leitapparat durch Verzögerung in Druck umgewandelt wird.

Bei der Behandlung der Strömungsvorgänge in der Pumpe wird von der eindimensionalen Stromfadentheorie ausgegangen, d. h. es wird zunächst eine ideale, reibungsfreie und schaufelkongruente – daher zeitlich konstante homogene Strömung – angenommen, welche die theoretische Förderhöhe H _th ¥ liefert. Die Abweichung der realen Strömung von der idealen wird erläutert und in einer neuen Minderleistungsformel vorgestellt, mit der bisherige Unsicherheiten vermieden werden.

Daneben wird die Entstehung der Drosselkurven erklärt und die Bedeutung der einzelnen Verluste und der Einfluss ihres Zusammenwirkens auf das Förderverhalten dargelegt.

Ferner werden die Radseitenraumströmung und ihr Druckverlauf unter dem Einfluss verschieden gerichteter Spaltverluste beschrieben und entsprechende Berechnungsformeln hergeleitet.

Es gibt keine starren Regeln zur Auslegung der hydrodynamischen Komponenten. Die verschiedenen Einflussgrößen sind in weiten Grenzen frei wählbar, hängen jedoch voneinander ab. Das Kapitel enthält praktische Anleitungen zur Berechnung der hydrodynamischen Komponenten und Erläuterungen der Vorgehensweise zu ihrer Konstruktion. Ferner wird die Bedeutung der spezifischen Drehzahl als Kennzahl der Radform erörtert. Die Berechnung der verschiedenen Verluste und des erreichbaren Wirkungsgrads in Abhängigkeit von der spezifischen Drehzahl wird behandelt; Parameter zur Berechnung von Laufrad, Leitrad, Eintritts- und Spiralgehäuse werden angegeben. Berechnung der Axial- und Radialkräfte. Bedeutung des Eintrittsquerschnitts von Laufrad und Leitapparat bezüglich der hydrodynamischen Verluste und damit der hydrodynamischen Eigenschaften der Pumpe. Erläuterungen zur Konstruktion von Schaufelplänen für Lauf- und Leitrad sowie des Laufradeintrittsquerschnitts bei beliebig räumlich gekrümmten Schaufeln. Kriterium zur Dimensionierung des Laufradeintrittsquerschnitts. Vorgehensweise bei der Konstruktion von Spiralgehäusen.

Kapitel 4 enthält fünf ausführlich beschriebene Berechnungs- und Entwurfsbeispiele. Im ersten Beispiel wird ein Laufrad mittlerer spezifischer Drehzahl zur Förderung sauberer Flüssigkeiten berechnet und entworfen. Aus dem Entwurf geht hervor, dass bei genügender Schaufelüberdeckung die berechneten Schaufeleintrittswinkel zum etwa „richtigen“ Eintrittsquerschnitt führen. Das zweite Beispiel enthält ein Spiralgehäuse mit radialem Druckstutzen für das vorberechnete Laufrad. Im dritten Beispiel wird ein beschaufeltes Leitrad einer mehrstufigen Pumpe mit anschließender Rückführung zur nächsten Stufe berechnet und entworfen. Das vierte Beispiel betrifft ein Eintrittsgehäuse für eine mittengeteilte zweiflutige Pumpe. Das Gehäuse ist für einen Vordrall (Mitdrall) ausgelegt. Das fünfte Beispiel zeigt die Berechnung und Konstruktion eines zweischaufligen Sonderlaufrades zur Förderung von Abwasser. Aus diesem Beispiel ist ersichtlich, in welch starkem Maße – abhängig vom Anwendungszweck – die Radform variiert werden kann. Es ist außerdem ersichtlich, dass die berechneten Schaufeleintrittswinkel bei geringer Schaufelüberdeckung offenbar nicht zum „richtigen“ Eintrittsquerschnitt führen, da dieser von den Austrittswinkeln und vom gesamten Schaufelverlauf mitbestimmt wird.

Der Betriebspunkt einer Kreiselpumpe stellt sich ein aus dem Zusammenwirken von Anlagekennlinie und Pumpenkennlinie. In der Anlage müssen zur Anpassung der Förderung entweder eine der beiden oder beide Kennlinien verändert werden. In den meisten Fällen ist die Anpassung der Förderung an den Bedarf verlustbehaftet. Die zu wählende Regelungsart hängt ab sowohl von der Art der Anlagekennlinie als auch der Art der Pumpenkennlinie. Eine Kreiselpumpe kann meist nicht über ihrem gesamten Förderbereich dauernd betrieben werden. Von den Pumpenherstellern werden daher Kennfelder von Pumpen gleicher Bauart bereit gehalten, die so aufgebaut sind, dass für jeden Bedarfsfall eine Pumpe mit gutem Wirkungsgrad und Betriebsverhalten bei minimaler Anpassung zu Verfügung steht. Die verschiedenen Möglichkeiten der Anpassung werden beschrieben, insbesondere werden die „Abdrehgesetze“ abgeleitet.

Bei Umkehr der Strömungs- und Drehrichtung können Kreiselpumpen als Turbinen eingesetzt werden. Die dabei auftretenden Besonderheiten werden erörtert und es werden Kennwerte angegeben, mit denen näherungsweise die Turbinenkennlinien aus den Förderwerten der Pumpe ermittelt werden können.