KSB Know-how, Band 6. Planungshinweise Rohrschachtpumpen Amacan

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1 KSB Know-how, Band 6 Planungshinweise Rohrschachtpumpen Amacan

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1. Die Baureihe Amacan 1.1 Laufradformen und Leistungsbereiche 1.2 Ermittlung von Betriebspunkten 1.3 Pumpenantrieb mit Frequenzumrichter 2. Bauwerksgestaltung 2.1 Allgemeine Vorbemerkungen 2.2 Planung der Pumpenaufstellung Die offene Einlaufkammer Die offene Einlaufkammer mit Saugschirm Die gedeckte Einlaufkammer Detailüberlegungen zur Einlaufkammer Beispiele für Pumpstationsplanung Sonderfall Amacan K 2.3 Gestaltung des Pumpensumpfes 2.4 Lösungen für Sonderfälle 2.5 Die Notwendigkeit von Modelltests 2.6 Die Bedeutung von CFD-Simulationsrechnungen 2.7 Rechen-Einrichtungen 3. Rohrschachtausführungen 3.1 Konstruktive Varianten 3.2 Details zur Rohrschachtausführung 3.3 Kabelanschlüsse 4. Quellen- und Bildnachweis 1

3 2

4 Einleitung In der Wasser- und Ab wassertechnik sind Tauchmotorpumpen eine wirtschaftliche und technische Alternative zu konventionellen, trocken aufgestellten Pumpen. Insbesondere bieten sie bei Wartungs- und Montagearbeiten in vielerlei Hinsicht Handlingvorteile das gewinnt bei der allgemein zurückgehenden Personalkapazität auf Betreiberseite zunehmend an Bedeutung. Im Spezialfall der Tauchmotorpumpen im Rohrschacht kommen gewichtige konstruktive Vorteile hinzu. Beispielsweise sind Tauchmotorpumpen im Vergleich zu konventionellen Rohrgehäuse- Pumpen bei gleicher hydraulischer Leistung wesentlich kompakter dimensioniert (keine langen Wellenstränge, keine zusätzlichen Lagerstellen im Rohrschacht). Gebäude zur Aufnahme der Elektromotoren sind nicht erforderlich, denn der Antriebsmotor einer Tauchmo torpumpe befindet sich mit im Rohrschacht. Diese Vorteile überzeugen immer mehr Betreiber Amacan-Pumpen von KSB arbeiten in Be- und Entwässerungspumpwerken, Wasserwerken, Kläranlagen, Kraftwerken, in der industriellen Wasserversorgung und im Gewässer- und Katastrophenschutz. Die Pumpen fördern dort Roh- und Reinwasser (Grundwasser, Regenwasser, Flusswasser) ebenso wie Ab - wasser und Belebtschlamm. Mehr als bei anderen Pumpen ist bei Rohrschachtpumpen die Ausführung und Gestaltung der Peripherie - also die Pumpstation insgesamt für einen wirtschaftlichen und zuverlässigen Betrieb von höchster Bedeutung. Neben der Auslegung der Pumpenhydraulik werden im Folgenden die Bauwerksgestaltung ebenso intensiv behandelt wie die Planung der Pumpenaufstellung und die Gestaltung des Pumpensumpfes. Überlegungen zur elektrotechnischen Ausrüstung runden die Ausführungen ab. Die vorliegende Monographie Tauchpumpen im Rohrschacht wendet sich an Planer und Betreiber in der Wasser- und Abwassertechnik. 3

5 1 1. Die Baureihe Amacan 1.1 Laufradformen und Leistungsbereiche Zum Fördern größerer Volumenströme bewähren sich in den verschiedensten Anwendungen Tauchmotorpumpen in Rohrschachtausführung. Solche Tauchmotorpumpen können optional mit drei unterschiedlichen Laufradformen ausgestattet sein. Somit können diese Pumpen die unterschiedlichsten Medien fördern vom relativ sauberen Grauwasser bis hin zum Abwasser oder Belebtschlamm. Welche Laufradform für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist, das hängt von der Beschaffenheit / Zusammensetzung des Fördermediums und von der Förderaufgabe ab. Die weiter unten dokumentierten Auswahlraster für die verschiedenen Laufradformen zeigen, welche Baugröße einer gewählten Pumpenbaureihe die gewünschte Förderaufgabe erfüllen kann. Bei der Auswahl ist zu beachten, welche Laufradform sich für welches Fördermedium eignet. Zum Teil sind beim Einsatz einer bestimmten Laufradform auch zusätzliche Anforderungen an die Gestaltung und an die technische Ausrüstung der Pumpstation zu beachten. Kanalrad Halbaxialrad Propeller Amacan K Amacan S Amacan P Abb. 1 Verfügbare Laufradformen für Amacan-Pumpen Fördermedien Schmutzwasser Flusswasser Regenwasser / Abwasser Hinweise und Empfehlungen - Prüfung des freien Laufraddurchgangs - durch Rechen bzw. eine Überlaufschwelle vorreinigen - durch Rechen oder Geröllfang vorreinigen - Prüfung des freien Laufraddurchgangs - durch Rechen bzw. eine Überlaufschwelle vorreinigen - bei einem Propellerlaufrad ist gegebenenfalls ein Sonderspaltring erforderlich Belebtschlamm Seewasser - max. 1% Trockensubstanzanteil - Prüfung möglicher Werkstoffkombinationen bzw. Anbau von Anoden mit halbjährlicher Kontrolle 4

6 Laufradformen und Leistungsbereiche 1.1 H [m] 20 ft 10 B pol B pol A pol A pol B pol B pol A pol A pol A pol B pol A pol B pol A pol A pol A pol A pol A pol A pol A pol G A pol G Q [m 3 /h] Q [l/s] Abb. 2 Auswahlraster Amacan P - Pumpen (50 Hz) Abb. 3 Amacan P 5

7 1.1 Laufradformen und Leistungsbereiche H [m] n=1450 min n=960 min n=1450 min n=960 min n=960 min n=960 min-1 Einzelprogramm n=1450 min n=1450 min n=725 min n=960 min n=960 min n=580 min n = 725 min-1 2 1, Q [l/s] Q [m 3 /h] Abb. 4 Auswahlraster Amacan S (50 Hz) Abb. 5 Amacan S 6

8 Laufradformen und Leistungsbereiche 1.1 H [m] ft K p K p K p K p K p K p K p K p K p K p 20 4 K p K p 3 K p K p K p Q [m 3 /h] Q [l/s] Abb. 6 Auswahlraster Amacan K (50 Hz) Abb. 7 Amacan K 7

9 1.1 Laufradformen und Leistungsbereiche Der konstruktive Aufbau moderner Tauchmotorpumpen im Rohrschacht bietet im Vergleich zu konventionellen Rohrgehäuse- Pumpen eine Reihe von Vorteilen. Beispielsweise sind diese Pumpen bei gleicher hydraulischer Leistung (Laufrad) wesentlich kompakter dimensioniert (keine langen Wellenstränge, keine zusätzlichen Lagerstellen im Rohrschacht). Das Handling einer Tauchmotorpumpe ist deutlich einfacher, was speziell Wartungs- und Montagearbeiten vereinfacht. Gebäude zur Aufnahme der Elektromotoren bzw. der Klimatisierungen zur Wärmeabfuhr sind nicht erforderlich. Der Antriebsmotor einer Tauchmotorpumpe befindet sich mit im Rohrschacht. Meist sind für Montage- und Wartungsarbeiten entsprechend der Einbautiefe vor Ort große Hebezeuge installiert. Diese Hebezeuge erfordern recht hohe Investitionen, obwohl sie nur für die zyklischen Wartungsarbeiten bzw. bei Montage/Demontage zum Einsatz kommen. Für die gleichen Aufgaben genügen beim Einsatz von Tauchmotorpumpen Amacan im allgemeinen kostengünstigere Mobilkräne vollkommen aus. Um diesen Vorteil nutzen zu können, sind entsprechende Zufahrten bei der Planung mit vorzusehen. Abb. 9 Montage einer Tauchmotorpumpe mit Mobilkran Abb. 8 Konventionelle Rohrgehäusepumpe Abb. 10 Pumpstation mit Gebäude 8

10 Ermittlung von Betriebspunkten Ermittlung von Betriebspunkten Die erforderliche manometrische Förderhöhe für einen bestimmten Volumenstrom wird bei Amacan- Pumpen vom Ansatz her wie bei jeder beliebigen Kreiselpumpe berechnet. Die dokumentierten Pumpenkennlinien beinhalten bereits die internen Verluste zwischen Laufradeintritt und 0,5 m hinter Motorende. Eintrittsverluste und Druckrohrverluste nach 0,5 m hinter Motorende sowie Umlenkverluste, Einbauten und Austrittsverluste sind als dynamischer Förderhöhenanteil zu berücksichtigen. Da besonders Propellerpumpen Saug- und Druckseite der Pumpnur geringe Förderhöhen errei - station von Interesse. Diese chen, muss bei der Berechnung Maximalwasserstände dürfen auch der Austrittsverlust aus bei der Pumpenauslegung nicht der Rohrleitung (oft ist ein Rück- dazu führen, dass die zulässige flussverhinderer installiert!) berücksichtigt werden. bzw. unterschritten wird und Förderhöhe der Pumpe über- Beim Bestimmen der geodätischen Förderhöhenanteile sind Bereich links von Q min die Pumpe eventuell in einem arbeitet. besonders bei Schöpfwerken die maximalen Differenzen zwischen Förderhöhe Hges Anlagenkennlinie H A dynamischer Anteil = H dyn statischer Anteil = H geo Förderstrom Q Q soll Die Anlagenkennlinie setzt sich aus dem geodätischen (Wasserspiegelunterschiede) und dem dynamischen Förderhöhenanteil zusammen (Reibungsverluste in den strömungsführenden Teilen): Bild 1.2-a: Beispiel einer Anlagenkennlinie [H = f(q)] m Q min ft 20 H ges = H geo + H dyn i=n L i H dyn = λ i x x + ξ i x i=1 2g i=1 d i 2 v i i=n 2 v i 2g 4 H geomax 2 17 H geomin Bild 1.2-b: Darstellung der möglichen Wasserstände m 3 /h i bezeichnet den betrachteten Teilabschnitt der Rohrleitung mit der Rohrleitungslänge L i, demrohrleitungsdurchmesser d i bzw. dem Reibungsverlustbeiwert ξ, sowie der im Teilabschnitt vorliegenden Strömungsgeschwindigkeit v i i 9

11 1.2 Ermittlung von Betriebspunkten Sind für die Berechnung der dynamischen Förderhöhenanteile der Anlage nicht alle Verlustbeiwerte ξ i bekannt, kann die Übersicht im Anhang weiterhelfen (s. a. Auslegung von Kreiselpumpen [1]). Die Wasserstandsunterschiede sind bei der Auslegung von Rohrschachtpumpen von besonderer Bedeutung, darf doch der minimale Wasserstand Wspmin im Bauwerk nicht unter den für den Volumenstrom der Pumpe erforderlichen Wasserstand t 1 abgesenkt werden nur so sind Oberflächenwirbel zu vermeiden. Mit diesem Wasserstand kann dann auch die erforderliche Bauwerkstiefe t BW für die Pumpstation ermittelt werden. Außer der Laufradüberdeckung (baugrößenabhängig) und der Grenzlinie gegen luftziehende Wirbel (volumenstromabhängig) beides in Bild 1.2-c dargestellt ist der NPSH-Wert der Pumpe im Betriebspunkt für den erforderlichen Wasserstand t 1 von Bedeutung. Es gilt die Bedingung NPSH A n l a g e > NPSH Pumpe + 1,0 m Sicherheitszuschlag zu erfüllen. Der Wert für t 1 ist bei Nichterfüllung entsprechend dem Differenzbetrag zu vergrößern. t B W = Wsp min t 1 Der Mindestwasserstand ist abhängig vom geforderten Volumenstrom der Pumpe [t 1 = f(q)] und auch von der 1 Amacan P Amacan P Amacan P Amacan P Amacan P Amacan P Amacan P t BW W sp min t 1 Gestaltung der Einlaufkammer (s. a. Kap bis 2.2.3). Hinweis: Vergleiche t 1 -Tabellen in den Baureihendokumentationen für die jeweilige Baugröße, Ausstattung und den entsprechenden Volumenstrom. t 1 [mm] ,1 0,2 0,3 0,4 0,6 0,8 1 1,5 2 2, Q [m 3 /s] Bild 1.2-c: Ermittlung des Mindestwasserstands t 1 für Amacan P (vgl. Amacan K und Amacan S gem. Baureihenheft) 10

12 Ermittlung von Betriebspunkten 1.2 h V Kr [m] 1,0 0,8 0, ,5 0, DN2 0,3 0,2 0, DN2 = ,08 0,06 0,04 0,02 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, Q [m 3 /s] Bild 1.2-d: Ermittlung des Druckverlusts eines Krümmerabgangs Sollte der Rohrschacht nach oben offen sein (freier Überfall z.b. aus Rohr), muß die Überfallhöhe h ü bei der Ermittlung der Pumpenförderhöhe H ges berücksichtigt werden. Liegen keine anderen Erkenntnisse vor, kann die Überfallhöhe h ü aus dem folgenden Diagramm entnommen werden. hü [m] 2 DA h ü 7 Q 1 0,8 0,6 0,5 D Überfallhöhe hü abhängig von Q und ausge- führtem Ausfluß D A. Die Kennlinienwerte gelten nur bei unbehindertem Abfluß nach allen Seiten, anderenfalls nur Näherungswerte 0,4 0,3 0,2 D A = 400 mm ,1 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, Q [m 3 /s] Bild 1.2-e: Ermittlung der Überfallhöhe hü 11

13 1.2 Ermittlung von Betriebspunkten Nach Ermittlung der Anlagenkennlinie sollte diese immer zusammen mit der Pumpenkennlinie dargestellt werden, um die sich einstellenden Betriebspunkte (Schnittpunkte der Kennlinien) zu prüfen. Dadurch kann der Planer sicherstellen, dass sich keine Betriebszustände außerhalb der zulässigen Kennlinienbereiche einstellen. Bild 1.2-f: Auswahlprinzip für Amacan-Pumpen (gem. Baureihenheft) 12

14 Pumpenantrieb mit Frequenzumrichter Pumpenantrieb mit Frequenzumrichter Grundsätzlich sind alle Pumpenmotoren für den Betrieb mit Frequenzumrichter zugelassen. Die Kennlinien der Rohrschachtpumpen Amacan lassen sich, wie bei Kreiselpumpen üblich, mit Hilfe der Affinitätsgesetze umrechnen. Q 2 n = 2 Q 1 n 1 2 H 2 n 2 H 1 =( n 1 ) n 1 Ausgangsdrehzahl n2 geänderte Drehzahl 3 P 2 n 2 P 1 =( n 1 ) Die Änderung der Drehzahl erfolgt in der Regel mit dem Ziel, den Arbeitspunkt der Pumpe optimal an bestehende anlagenseitige Erfordernisse anzupassen. Wie bereits weiter oben beschrieben, stehen für die Rohrschachtpumpen drei Laufradformen mit jeweils unterschiedlicher Kennliniencharakteristik zur Auswahl. Weiterhin sind erforderlich: (a) Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit im Rohrschacht, um das eventuell erforderliche Mitfördern von Fasern und Feststoffen sicherzustellen (v mittel > 2 m/s), sowie (b) die Überprüfung der Umfangsgeschwindigkeit am Laufradaußendurchmesser (nicht unter 15 m/s). Bei Drehzahländerung und unter Beachtung der variablen Wasserstände darf kein Betriebspunkt links von der zulässigen Betriebsgrenze liegen. Das bedeutet: Die Grenzdrehzahlen müssen auf die gegebenen Wasserstände abgestimmt sein. Werden zwei oder mehr Pumpen mit gemeinsamer Druckleitung an Frequenzumrichtern betrieben, ist es empfehlenswert, alle Pumpen mit der gleichen Dreh- m zahl zu betreiben. Damit vermeidet man, dass sich die Pumpen gegenseitig in die Teillast drücken (mit den bekannten negativen Folgen für Laufrad, Wellenabdichtung und Lager). Ergeben sich bei der Kontrolle der Mindest-Strömungsgeschwindigkeiten Probleme, so kann unter Umständen (je nach Fördermedium) mit etwas reduzierten Werten gearbeitet werden. Um dennoch sicherzustellen, dass die betreffenden Pumpen nicht verstopfen, kann durch die automatische Steuerung zeitabhängig und kurzzeitig die Drehzahl erhöht werden, um einen Spülvorgang auszulösen. Anschließend kann wieder, ebenfalls automatisch, auf die ursprüngliche Drehzahl abgesenkt werden. Qmin ft Bei jeder dieser drei Laufradformen muss stets der Regelbereich geprüft werden. Dies umfasst die Ermittlung der Rohrleitungskennlinie(n) mit H geo,min und H geo,max n = 985 n = 690 n = 788 n = 887 n = m 3 /h Bild 1.3-a: Amacan P A 4 mit Drehzahlkurven 13

15 2.1 Bauwerksgestaltung 2. Bauwerksgestaltung 2.1 Allgemeine Vorbemerkungen sowie auch Fragen zur Gestaltung zwischen Zulauf und der (den) Pumpe(n) selbst. benennen und bewerten. Zunächst seien hier die geometrischen Einflüsse aufgeführt: Die Bauwerksgestaltung einer Pumpstation wird weitgehend vom Einsatzzweck bestimmt. Neben den rein baulichen und mechanischen Anforderungen sind aber auch hydraulische (strömungstechnische) Aspekte bei der Planung und Bauausführung zu berücksichtigen. Die Konzeption der strömungsführenden Bereiche beginnt mit dem Zulauf zur Pumpstation, führt über die teilweise erforderliche Einlaufkammer-Kontur zu der (den) Pumpe(n) und endet bei der Druckrohrleitung bzw. dem Auslaufsystem. Die Pumpenhersteller sind bemüht, die für den Einsatz der Kreiselpumpen erforderlichen Sollabmessungen (z.b. zur Bauwerksgeometrie) entsprechend in den Produktunterlagen zu dokumentieren. Diese Angaben bilden für den Planungsprozeß wesentliche Anhaltswerte, um die Hauptabmessungen einer Pumpstation zu ermitteln. Die erfolgreiche Planung einer Pumpstation ist vielschichtig und beinhaltet neben den reinen Vorgaben zu Mindestabständen zwischen den Pumpen oder Sollabmessungen der teilweise erforderlichen Einlaufkammern Kommt es bei der Planung oder in der Bauphase zu gravierenden Abweichungen bei den Sollabmessungen der Einlaufkammern, den Mindestwasserspiegeln oder der Geometrie der strömungsführenden Teile der Pumpstation, kann die einwandfreie Funktion der gesamten Station in Frage gestellt sein. Es ist dabei unbedeutend, ob es sich um einzelne Abweichungen handelt oder eine ganze Summe von Abweichungen die Probleme erzeugen. Die für den Betrieb der Pumpe erforderlichen Randbedingungen werden durch die Änderungen oder Abweichungen nicht erfüllt und die Kreiselpumpe(n) weisen entweder durch ihr Laufverhalten oder ihre Leistungsabweichungen auf die vorliegenden Probleme hin. Fließen hingegen die Vorgaben des Pumpenherstellers zur hydraulischen und mechanischen Gestaltung der Pumpstation frühzeitig in das Gesamt-Layout mit ein, können Fehlfunktionen - wie Nichterreichen der geforderten Leistungsdaten und Betriebsstörungen - ausgeschlossen werden. Nach Prosser [6] lassen sich die Kriterien für ein schlechtes Layout einer Pumpstation klar 1. zu klein ausgelegte Schütze oder Steuerventile 2. abrupte Richtungswechsel der Strömung (z.b. scharfe Ecken) 3. getauchte Strömungsbereiche mit hohen Geschwindigkeiten (z.b. Diffusoren mit zu großem Öffnungswinkel) 4. Stufen oder Absätze im Bereich des Bodens 5. Wehre, die nicht der Energievernichtung dienen 6. Pfeiler, Säulen und Leitrippen 7. falsche Gestaltung des Baukörpers oder eine Betriebsweise, die zu asymmetrischer Strömungsverteilung im Sumpf führen 8. Zulauf oberhalb des Wasserspiegels im Sumpf. Die Punkte 1, 2, 3, 6 und 7 können Wirbel am Pumpeneinlauf auslösen. In extremen Fällen werden luftziehende Oberflächenwirbel und getauchte Wirbel gebildet. Die Punkte 4, 5, und 8 können zum Lufteintrag in das Fördermedium führen, während die Punkte 3, 4 und 5 instationäre Strömungszustände im Sumpf auslösen können. 14

16 Bauwerksgestaltung 2.1 Aufgabe des Pumpensumpfes ist es, eine Volumenvorlage zu bilden und gute Zuströmbedingungen für die Pumpen zu generieren; dazu sind die nachfolgenden hydraulischen Bedingungen in der Pumpstation zu vermeiden: 1. Jets, also Zuflüsse mit hoher Strömungsgeschwindigkeit, die auf stehende oder langsam fließende Fördermedien treffen (da diese beim Auftreffen große instationäre Wirbelgebiete im Nach- bzw. Ablauf bilden) 2. Gebiete mit Strömungsablösung 3. Strömungen mit hohen Geschwindigkeiten (v > 2 m/s) 4. instationäre Strömungen 5. große Oberflächenwellen 6. frei abstürzende Zuläufe. Vergleiche der erforderlichen Einlaufkammer-Geometrien in Dokumentationen verschiedener Hersteller als auch in Dokumentationen international anerkannter Forschungseinrichtungen haben gezeigt, dass die von KSB in den jeweiligen Baureihenheften bzw. Software- Tools dokumentierten Geometrien zu den kleinsten erforderlichen Abmessungen von Pumpstationen führen und damit auch zu entsprechenden Kosteneinsparungen. Bild 2.1-a: Wirbelentstehung durch unzulässige Kammeranströmung Jetströmung trifft direkt auf den Rohrschacht Werden die hier aufgeführten Kriterien bei der Bauwerksplanung und Bauausführung berücksichtigt, ist dies ein bedeutender Schritt zu einem störungsfrei funktionierenden Pumpwerk. 15

17 2.2 Planung der Pumpenaufstellung 2.2 Planung der Pumpenaufstellung Sind alle hydraulischen Vorüberlegungen zur Volumenstromaufteilung erfolgt und wurde die Bild 2.2-a: Varianten der Rohrschachtgestaltung mit freiem Auslauf entsprechende Baugröße definiert, folgt die Ermittlung der geometrischen Abmessungen für die Einlaufkammer. Amacan-Pumpen bieten durch die flexible Rohrschachtgestaltung die Möglichkeit, zur optimalen Gestaltung einer Pumpstation unter sehr vielen Ausführungsvarianten zu wählen. Der Planer kann sich so jeg- Bild 2.2-b: Varianten der Rohrschachtgestaltung mit Überflurdruckstutzen lichen Bauwerksgegebenheiten bzw. Anlagenbedingungen flexibel anpassen. Einige Aufstellungsmöglichkeiten werden im folgenden kurz vorgestellt. Bild 2.2-c: Varianten der Rohrschachtgestaltung mit Unterflurdruckstutzen 16 Bild 2.2-d: Variante der Rohrschachtgestaltung mit Unterflurdruckstutzen, überfahrbar

18 Planung der Pumpenaufstellung 2.2 Als erstes Hilfsmittel für die Vorplanung bieten sich neben den Herstellerdokumentationen auch international gängige Standards an (s. Quellennachweis). Ist die Pumpstation in den Grobabmessungen definiert, sollte die Feinplanung der Pumpenaufstellung auf der Basis von Herstellerdokumentationen (z.b. Baureihenhefte oder Auslegungssoftware) erfolgen. Hier findet man die detaillierten und erforderlichen Bauwerksabmessungen, die der jeweiligen Pumpenbaugröße exakt zugeordnet sind. Diese Maße sind unbedingt einzuhalten, um den störungsfreien Betrieb der Pumpen zu gewährleisten. Für die jeweilige Kammerausführung gibt es auch Hinweise, welche maximal zulässigen Anströmgeschwindigkeiten und Anströmrichtungen der jeweiligen Kammergeometrie zulässig sind (vergleiche hierzu auch Kapitel 2.3). Die wesentliche Abmaße sind zunächst Breite und Länge der Einlaufkammer sowie der hintere Wandabstand und Bodenabstand des Rohrschachtes. Über den Volumenstrom der Pumpe muss dann noch der erforderliche Mindestwasserstand ermittelt werden, um für die Pumpe in der entsprechenden Einlauf- kammer einen ruhigen Betrieb ohne luftziehende Oberflächenwirbel abzusichern. Bei der Ermittlung der Einlaufkammer-Geometrie sind auch jene Betriebszustände in Betracht zu ziehen, die unter Umständen durch den Betrieb einer Pumpstation mit reduzierter Pumpenanzahl zu wesentlich veränderten Einlaufkammeranströmungen führen können (Anströmgeschwindigkeit, Anströmrichtung); s. a. Kapitel 2.3. t 1 v Bild 2.2-e: Wichtige Kammerabmessungen für die Einlaufkammer (Abmaße siehe Baureihenheft oder e 1 Auslegesoftware) B L V Q t 1 t 3 l Ob die Pumpstation mit einer oder mehreren Pumpen ausgerüstet werden soll, hat auf die Einlaufkammerabmessungen und den Rohrschacht keinen Einfluss. Wandabstand zw. Pumpe und hinterer Schachtwand Breite des Zulaufkanals Länge des Zulaufkanals mit gleichförmiger gerichteter Strömung, wo keine Richtungswechsel stattfinden mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Zulaufkanal Volumenstrom Mindestüberdeckung Bodenabstand e 1 b t 3 e 1 Wandabstand zwischen Pumpe und hinterer Schachtwand b l v Breite des Zulaufkanals Länge des Zulaufkanals mit gleichförmiger gerichteter Strömung, wo keine Richtungswechsel stattfinden mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Zulaufkanal Q Volumenstrom t 1 Mindestüberdeckung t 3 Bodenabstand 17

19 2.2 Planung der Pumpenaufstellung Die offene Einlaufkammer Ist der Wasserstand im Pumpen- sumpf ausreichend hoch und erfolgt die Anströmung der Kammer mit einer geringen Abweichung von max. 10 Grad direkt von vorn, so ist diese Form der Kammergestaltung die kostengünstigste Variante. Entlüftungsleitung t 1 Die Anströmgeschwindigkeit darf im Bereich der Einlaufkammer nicht über 1 m/s liegen. Eine Queranströmung von mehr als 10 Grad ist auszuschließen, um eine Strömungsablösung und Wirbelbildungen zu vermeiden. Das gilt auch für den Fall veränderter Betriebsbedingungen. Mindestwasserstand d 8 t 3 b 1 e 1 Zuströmung Bodenrippe b b Vmax = 1 m/s l Bild a: offene Einlaufkammer (Abmaße siehe Baureihenheft) 18

20 Planung der Pumpenaufstellung Die offene Einlaufkammer mit Saugschirm Stellt man bei der Überprüfung des erforderlichen Mindestwasserspiegels im Pumpensumpf fest, dass dieser nicht ausreicht, kann eine andere Kammerausführung ausreichende Überdeckung gegen luftziehende Wirbel gewährleisten. Eine mit geringen Änderungen mögliche Variante ist die offene Kammer mit Saugschirm. Sie gestattet bei gleicher Pumpenbaugröße und gleichem Betriebspunkt den Betrieb der Pumpe bei geringerem saugseitigen Mindestwasserstand t 1. t 1 Entlüftungsleitung Mindestwasserstand t 3 d 8 e 1 Zuströmung Bodenrippe b d Vmax = 1 m/s l Bild a: offene Einlaufkammer mit Saugschirm (Abmaße siehe Baureihenheft) 19

21 2.2 Planung der Pumpenaufstellung Die gedeckte Einlaufkammer Eine Sonderform der Einlaufkammer ist die gedeckte Kammer. Sie gewährleistet die kleinsten erforderlichen Mindestwasserstände gegen luftziehende Oberflächenwirbel und kann ohne Probleme mit einem Anströmwinkel von 0 bis 90 Grad mit max. 1 m/s angeströmt werden. Allerdings ist bauseitig der Aufwand etwas höher zu kalkulieren als bei den vorher beschriebenen Einlaufkammer-Typen. Bei ungünstigen Anströmverhältnissen und niedrigen Wasserständen hat sich diese Kammerform schon oft bewährt. Entlüftungsleitung Mindestwasserstand d 45 t 3 e 2 b 2 Zuströmung Bodenrippe b b Vmax = 1 m/s l e 1 Bild a: gedeckte Einlaufkammer (Abmaße siehe Baureihenheft bzw. Auslegesoftware) 20

22 Planung der Pumpenaufstellung Detailüberlegungen zur Einlaufkammer Anders als die Pumpen der Baureihe Amacan K sind Amacan P- und Amacan S-Pumpen mit einzelnen Einlaufkammern auszustatten. Wichtig für die Kammerwände ist, dass die Wandhöhe mindestens 150 mm über dem max. Wasserspiegel im Pumpensumpf liegt. Damit ist sichergestellt, dass die Kammergeometrie auch beim maximalen Wasserstand eine Wirbelbildung nicht unterstützt. Bei allen Kammergestaltungen für die Baureihen Amacan P und Amacan S ist es wichtig, dass unter dem Einlauf der Pumpe eine Anti-Drall-Rippe montiert ist. Diese verhindert das Auftreten eines getauchten Wirbels, der u.a. zu einem Leistungsabfall führen kann. Diese Rippe kann als Beton- oder als Stahlkonstruktion ausgeführt sein. Die exakten Maße der Rippe sind entweder der Auslegungs- Software oder der Baureihendokumentation zu entnehmen. H max H min ca. 150 mm Bodenrippe, gegossen b 2 b 1 Stahlprofil b 1 h R h R Bild a: Höhe der Kammerwand Der Wandbereich des Einlaufes in die Kammer sollte immer gerundet werden, um zusätzliche Wirbelanregungen bei eventuell schräger Kammeranströmung auszuschließen. Diese Maßnahme gilt sowohl für seitlich angeströmte Einzelkammern als auch für mittig angeströmte Mehrfachkammern. I R auf Einlaufkammerboden verschraubt Bodenrippe konzentrisch zur Pumpenachsenmitte Rohrschacht I R 2 x D h R = 0,4...0,6 x t 3 Bild c: Bemaßung der Bodenrippe I R W R 1 2 W Bild b: Gestaltung des Kammereintritts 21

23 2.2 Planung der Pumpenaufstellung In den vergangenen Jahren hat sich gezeigt: Der Aufwand der Betonarbeiten zur Auskleidung der Kammern lässt sich dadurch reduzieren, dass man mit geraden Konturen arbeitet. Gleichzeitig bietet sich die Möglichkeit, Zonen mit Totwasser gezielt zu vermeiden, indem man diese Bereiche mit Beton auskleidet (nur gültig bei offener Einlaufkammer ohne Saugschirm). Die Ecken der Einlaufkammer sind dann mindestens 150 mm über das Niveau des maximalen Wasserstandes ausbetoniert. Je nach Konzeption des Pumpwerkes werden durch den Planer Möglichkeiten vorgesehen, einzelne Kammern vom gefüllten Pumpensumpf abzusperren und gegebenenfalls zu entleeren. Hierzu können Aufnahmevorrichtungen von Dammbalken in die Kammerwand integriert werden oder die Kammer wird über entsprechende Absperrschütze versperrt. Kommt es durch diese Einbauten im Bereich der Kammerwände zu Einschnürungen des freien Anströmquerschnittes, ist der Abstand zwischen Pumpe und Strömungsstörstelle zu überprüfen und gegebenenfalls zu vergrößern. Die Oberflächen der Einlaufkammern wie auch die Wandbereiche im Pumpensumpf sollten als raue Betonoberfläche ausgeführt sein. Werden die vom Fördermedium benetzten Bereiche zu glatt ausgeführt oder sogar mit Anstrichen beschichtet, führt dies zu einer Verringerung der Wandschubspannung - und damit wächst die Gefahr einer Wirbelbildung (getauchte Wirbel, unter Umständen auch Oberflächenwirbel). Die Rauhigkeiten dieser strömungsführenden Oberflächen sollten im Bereich von 1 bis 3 mm liegen. b 2 D e 1 Bodenrippe b 1 v A R L S A K b Bild e: Eckauskleidung l A R A K 1,0 0,5 L s = D x f f [%] f Einbau von Strömungsgleichrichtern erforderlich (Rückfrage) Bild f: Einfluss von Querschnittseinschnürungen 22

24 Planung der Pumpenaufstellung 2.2 Unter Umständen ist es erforderlich, den Bereich der Einlaufkammer an die spezifischen Gegebenheiten eines Projektes anzupassen. Denkbar ist beispielsweise der Einsatz eines Einlaufkrümmers an Stelle einer Einlaufkammer. Diese Krümmer haben dann vergleichbare Eigenschaften wie eine gedeckte Einlaufkammer, d.h. sie richten die Anströmung aus und gewährleisten für das Pumpenlaufrad eine über den Eintrittsquerschnitt ausgeglichene Geschwindigkeitsverteilung. Die detaillierte Dimensionierung dieser Sonderfälle muß exakt den Projektdaten angepasst werden und sollte deshalb nur nach Rücksprache mit den zuständigen Competence Centern bei KSB erfolgen. Sind für bestimmte Projekte Sonderlösungen unumgänglich, so sind diese durch entsprechende Modelluntersuchungen und/oder CFD-Simulationen (Computual Fluid Dynamics) abzusichern. Das bedeutet: Die problemlose Funktion muß unter den projektspezifischen Randbedingungen nachgewiesen werden, da es sich nicht mehr um Standardlösungen handelt (vergleiche Kapitel 2.5 und 2.6). Bild i: Variante eines Doppelkrümmers beim Modelltest l2 l2 LW r3 r2 α2 c2 c1 d2 α1 a1 a1 c1 L d2 5 r1 d1 α1 d1 l l4 3 α1 b3 b4 b5 b6 b2 b1 b7 b8 b8 b10 Bild h: Variante eines Segmentkrümmers 23

25 2.2 Planung der Pumpenaufstellung Beispiele für Pumpstationsplanung Variante 1 Variante 2 Ausgangssituation: Die Pumpstation soll mit drei Pumpen aus einem Kanal fördern. Die Pumpenanströmung wird als über die Kanalbreite gleichmäßig beschrieben. v Lösung: Jede Pumpe erhält eine Einlaufkammer mit den der Baugröße entsprechenden Abmessungen (siehe Baureihenheft bzw. Auslegungs-Software). Damit sind definierte Anströmbedingungen geschaffen, eine gegenseitige Beeinflussung bei der Förderung ist ausgeschlossen. Ausgangssituation: Die Pumpstation soll mit drei Pumpen aus einem Sumpf fördern, der durch ein außermittiges, frontales Rohr/Kanal gespeist wird. Die Pumpen sind außerdem asymmetrisch zur Position des Zulaufes aufgestellt; es sind keine Einlaufkammern vorgesehen. v Problem: Rückwandabstand zu groß, damit sind Ablösewirbel hinter dem Rohrschacht möglich. Keine Einlaufkammern vorhanden, dadurch Gefahr von gegenseitiger Beeinflussung und undefinierte Anströmung bei Einzelbetrieb. e 1 L min b v k < 1 m/s Problem: Die außermittige Anströmung des Pumpensumpfes führt zu einer Rotation des Mediums im Pumpensumpf entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Geschwindigkeit im Zulaufkanal / -rohr entscheidet über die Stärke dieser Rotation und damit über die ungleichförmige Anströmung. e 1 l min b v D i min 5 x D v k < 1 m/s >1,3xD i 24

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