Johann F. Gülich. Kreiselpumpen. Ein Handbuch für Entwicklung, Anlagenplanung und Betrieb. Mit 282 Abbildungen und 47 Tafeln / / / Springer

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1 Johann F. Gülich Kreiselpumpen Ein Handbuch für Entwicklung, Anlagenplanung und Betrieb Mit 282 Abbildungen und 47 n / / / Springer

2 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen XVIII 1 Allgemeine strömungstechnische Grundlagen Absolute und relative Strömung Erhaltungssätze Erhaltung der Masse Erhaltung der Energie Erhaltung der Bewegungsgröße Grenzschichten, Grenzschichtbeeinflussung Strömung auf gekrümmten Bahnen Kräftegleichgewicht Erzwungene und freie Wirbel Strömung in gekrümmten Kanälen Strömungsverluste Reibungsverluste Verwirbelungsverluste Diffusoren Strömungsverteilung in Parallelsträngen. Rohrleitungsnetze 26 2 Bauarten und Leistungsdaten Wirkungsweise und Aufbau Leistungsdaten Spezifische Förderarbeit, Förderhöhe Netto-Energiehöhe im Saugstutzen, NPSH Leistung und Wirkungsgrad Kennlinien Pumpentypen und ihre Anwendung Übersicht Klassifizierungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete Bauarten Sonderbauarten 50 3 Grundlagen der hydraulischen Berechnung Eindimensionale Berechnung mit Geschwindigkeitsdreiecken Energieübertragung im Laufrad: Spezifische Förderarbeit. Förderhöhe... 57

3 Inhaltsverzeichnis 3.3 Die Strömungsumlenkung durch die Schaufeln. Abströmbeiwert und Minderumlenkung Dimensionslose Kennzahlen. Ähnlichkeitsgesetze. Spezifische Drehzahl Leistungsbilanz und Wirkungsgrade Berechnung der Nebenverluste Radreibungsverluste Leckverluste axial durchströmter Dichtspalte Leistungsverlust der Zwischenstufendichtung Spaltverluste an offenen Laufrädern Leckverluste radial oder diagonal durchströmter Dichtspalte Mechanische Verlustleistung Grundsätzliches zur Berechnung der Leitvorrichtung Hydraulische Verluste Statistische Angaben über Druckzahlen, Wirkungsgrade und Verluste Wirkungsgradaufwertung Hinweise zur Verlustminimierung Berechnungstafeln Kennlinien Drosselkurve und Leistungsaufnahme Die theoretische Kennlinie (ohne Strömungsverluste) Die reale Kennlinie mit Strömungsverlusten Komponentenkennlinien Förderhöhe und Leistungsaufnahme beim Betrieb gegen geschlossenen Schieber Einfluß der Pumpengröße und der Drehzahl Einfluß der spezifischen Drehzahl auf die Kennlinienform Bestpunktlage Vorausbestimmung der Kennlinie Kennfelder Anpassen der Kennlinie Abdrehen des Laufrades Zuschärfung der Schaufeln am Laufradaustritt Änderungen am Leitapparat Analyse von Kennlinienabweichungen und Leistungsdefiziten Teillastverhalten. 3-dimensionale Strömungsvorgänge und ihre Wirkung auf die Kennlinien Grundsätzliche Überlegungen Die Strömung im Laufrad Übersicht Physikalische Mechanismen Zusammenwirken der verschiedenen Mechanismen Rückströmung am Laufradeintritt Die Strömung am Laufradaustritt 166

4 Inhaltsverzeichnis XI Meßtechnische Erkennung des Rückströmbeginns Die Strömung in der Leitvorrichtung Strömungsablösung im Leitrad Der Druckrückgewinn im Leitrad Einflußder Anströmung auf Druckrückgewinn und Ablösung Die Strömung in Spiralgehäusen Die Strömung in Ringgehäusen und Leitringen Auswirkungen der Rückströmung Auswirkung der Rückströmung am Laufradeintritt Auswirkung der Rückströmung am Laufradaustritt Auswirkung auf Radseitenraumströmung und Axialschub Schädliche Auswirkungen der Teillastrezirkulation Einfluß von Ablösung und Rezirkulation auf die Kennlinie Arten von Kennlinieninstabilität Kennlinien mit Sattel (Instabilitäten vom Typ S) Instabilitäten vom Typ F Maßnahmen zur Beeinflussung der Kennlinienform Einführung Beeinflussung des Rezirkulationsbeginns am Laufradeintritt Beeinflussung des Rezirkulationsbeginns am Laufradaustritt Beseitigung einer Instabilität vom TypF Beeinflussung der Sattel-Instabilität der Radialräder mit n q < Beeinflussung der Sattel-Instabilität der Radialräder mitn q > Beeinflussung der Instabilität der Halbaxial- und Axialräder Reduktion von Förderhöhe und Leistung bei Nullförderung Saugverhalten und Kavitation Physikalische Grundlagen Entstehung und Implosion von Dampfblasen in einer Strömung Blasendynamik Kavitation am Laufradeintritt Druckverteilung und Blasenfeld Erforderlicher NPSH-Wert. Ausmaß der Kavitation. Kavitationskriterien Modellgesetze für Kavitationsströmungen Die Saugzahl Experimentelle Bestimmung des erforderlichen NPSH R -Wertes Bestimmung des NPSH R -Wertes Einflußparameter auf den NPSH R -Wert Berechnung des NPSH R -Wertes Abschätzung des NPSH 3 -Wertes als Funktion des Förderstromes 236

5 Xll Inhaltsverzeichnis 6.4 Einfluß der Fluideigenschaften Thermodynamische Einflüsse Nichtkondensierbare Gase Zugspannungen in der Flüssigkeit Kavitationsbedingte Schwingungen und Geräusche Erregermechanismen Kavitationsschallmessungen zur Quantifizierung der hydrodynamischen Kavitationsintensität Frequenzverhalten des Kavitationsschalls Kavitationserosion Untersuchungsmethoden Kavitationswiderstand Vorausberechnung von Kavitationsschäden aufgrund der Blasenfeldlänge Abschätzung der Erosion aufgrund des Flüssigkeitsschalles Körperschallmessungen zur Kavitationsdiagnose Farberosionsversuche zur Bestimmung des Implosionsortes Erosionsschwellwert und Materialverhalten bei verschiedenen hydrodynamischen Kavitationsintensitäten Zusammenfassende Beurteilung Die Wahl des Zulaufdruckes in der Anlage (NPSH A ) Kavitationsschäden: Analyse und Abhilfe Aufnahme des Schadens und der Betriebsparameter Kavitationsformen und typische Arten von Kavitationsschäden Behebung von Kavitationsschäden Ungenügende Saugfähigkeit: Analyse und Abhilfe Berechnung und Entwurf der hydraulischen Komponenten Methoden und Randbedingungen Methoden zur Entwicklung hydraulischer Komponenten Hydraulische Anforderungen Rechenmodelle Radiale Laufräder Bestimmung der Hauptabmessungen Der Laufradentwurf Kriterien für die Schaufelgestaltung Gestaltungskriterien für Sauglaufräder Ausnützung dreidimensionaler Effekte Radiale Laufräder für spezifische Drehzahlen n q < Einfach gekrümmte Schaufeln (Zylinderschaufeln) Lochscheiben Radialer Schaufelstern Radiale Laufräder für Pumpen mit Verstopfungsgefahr Halbaxiale Laufräder Axiale Laufräder und Leitapparate 314

6 Inhaltsverzeichnis XIII Eigenschaften Berechnung und Wahl der Hauptabmessungen Einige Eigenschaften von Tragflügeln Schaufelauslegung Profilauswahl Leitradauslegung Vorsatzläufer Berechnung der Vorsatzläufer Entwurf und Gestaltung der Vorsatzläufer Abstimmung von Vorsatzläufer und Laufrad Hinweise für die Anwendung der Vorsatzläufer Spiralgehäuse Berechnung und Wahl der Hauptabmessungen Entwurf und Gestaltung der Spiralgehäuse Einfluß der Gestaltung auf das hydraulische Verhalten Radiale Leiträder mit und ohne Rückführung Berechnung und Wahl der Hauptabmessungen Entwurf und Gestaltung radialer Leiträder Halbaxiale Leiträder Spirale mit Leitrad oder Stützschaufelring Ringräume und Leitringe Einlaufgehäuse für Pumpen mit durchgehender Welle Numerische Strömungsberechnungen Übersicht Quasi-3D-Verfahren Dreidimensionale Euler-Verfahren Navier-Stokes-Berechnungen Grundgleichungen Möglichkeiten von 3D-Navier-Stokes-Berechnungen Netzerzeugung Randbedingungen Integral- und Mittelwertbildung bei Laufradberechnungen Vergleich zwischen Rechnung und Messung Auswertung gemessener Geschwindigkeitsverteilungen Auswertung industriell durchgeführter Versuche Unsicherheiten Laufradberechnung Globalwerte im Bestpunkt Geschwindigkeitsprofile Einflußparameter Berechnungsbeispiel Berechnung von Kavitationsströmungen Leitrad- oder Stufenberechnungen Kriterien für die Beurteilung numerischer Berechnungen Allgemeine Hinweise 400

7 XIV Inhaltsverzeichnis Konsistenz und Plausibilität der Rechnung Werden die verlangten Leistungsdaten erreicht? Maximierung des hydraulischen Wirkungsgrades Kennlinienstabilität Hydraulische Kräfte Die Strömung im Radseitenraum Axialschub Axialkraftberechnung allgemein Einstufige Pumpen mit einflutigem, überhängendem Laufrad Mehrstufige Pumpen Doppelflutige Laufräder Halbaxiale Laufräder Axialpumpen Rückenschaufeln Halboffene Laufräder Instationärer Axialschub Radialschub Definition und Abgrenzung Messung von Radialkräften Pumpen mit Einfachspirale Pumpen mit Doppelspirale Pumpen mit Ringraum Leitradpumpen Radialschub infolge ungleichförmiger Zuströmung Axialpumpen Radialschubausgleich Radialschubberechnung Schwingungen und Geräusche Instationäre StrömungsVorgänge am Laufradaustritt Druckpulsationen Entstehung von Druckpulsationen Strömung und Schallerzeugung Einflußparameter der Pumpe Einfluß des Systems Modellgesetze Messung und Auswertung Druckpulsationen ausgeführter Pumpen Auswirkungen von Druckpulsationen Auslegungsrichtlinien Akustische Erscheinungen Akustische Resonanzen in Rohrleitungen Körperschall Luftschall Hydraulische Anregung durch Wirbelstraßen 456

8 Inhaltsverzeichnis XV 10.5 Übersicht über mechanische Schwingungen bei Kreiselpumpen Rotordynamik Übersicht Kräfte in Spaltdichtungen Hydraulische Laufradwechselwirkung Lagerreaktionen Eigenwerte und kritische Drehzahlen Rotor-Instabilitäten Hydraulische Schwingungsanregung Interferenz zwischen Lauf- und Leitschaufeln Umlaufende Ablösungen Übrige Erregermechanismen Richtlinien für die Konstruktion schwingungsarmer Pumpen Schwingungsdiagnose Verhalten der Kreiselpumpen in Anlagen Anlagenkennlinien und Arbeitspunkt. Einzelbetrieb, Parallel- und Reihenschaltung Regelung Statische und dynamische Stabilität Anfahren, Abschalten Ausfall des Antriebes, Druckstoß Zulässiger Betriebsbereich Der Pumpenzulauf Zulaufleitungen Transientes Absinken des Zulaufdruckes Einlaufbauwerke Druckleitungen Turbinenbetrieb. Allgemeines Kennfeld Rückwärtslaufende Kreiselpumpen als Turbinen Theoretische und reale Kennlinien Leerlauf-und Widerstandskennlinien Berechnung der Kennlinien aufgrund empirischer Korrelationen Verhalten der Turbinen in Anlagen Allgemeines Kennfeld Einfluß des Fördermediums Förderung von Flüssigkeiten mit hoher Viskosität Wirkung der Viskosität auf Einzelverluste und Kennlinie Umrechnung der Kennlinie von Wasser auf viskose Medien Förderung von Gas-Flüssigkeits-Gemischen Phasenverteilung in der Rohrströmung Phasenverteilung in der Pumpenströmung und Einflußparameter 554

9 XVI Inhaltsverzeichnis Empirische Behandlung von Zweiphasenströmungen Verhalten von Kreiselpumpen bei Gas-Flüssigkeits- Förderung Entspannung von Zweiphasengemischen in Turbinen Berechnung des Arbeitsumsatzes Vorausberechnung der Turbinenkennlinien bei Zweiphasenströmung Hydraulischer Feststofftransport Nicht-Newton'sche Flüssigkeiten 575 Literaturverzeichnis 577 Sachverzeichnis 591 Liste der n (1) (2) (1) (2) Abmessungen und Strömungsgrößen Abmessungen der hydraulischen Komponenten XXIV XXV Häufig verwendete Druckverlustbeiwerte 27 Berechnung von Rohrleitungsnetzen 28 Hydraulische Pumpenkomponenten und Schaltungen 32 Förderhöhe und Haitedruckhöhe (NPSH) 34 Pumpentypen 39 Einsatzgebiete von Kreiselpumpen 41 Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradeintritt 102 Geschwindigkeitsdreiecke am Laufradaustritt 103 Energieübertragung im Laufrad 104 Ähnlichkeitsgesetze und dimensionslose Kennzahlen 105 Leistungsbilanz, Wirkungsgrade und Verluste 106 Reibleistung rotierender Scheiben oder Zylinder 107 Spaltverluste Spaltverluste II 109 Hydraulische Verluste im Laufrad 110 Hydraulische Verluste im Leitapparat 111 Statistische Wirkungsgradangaben und Wirkungsgradaufwertung 112 Leitapparat-Gerade und Bestpunktlage 129 Anpassen der Kennlinie 136 Analyse von Leistungsdefiziten 144 Interpretation und Anpassung der Kennlinienform 207/208 Abschätzung des Risikos von Kavitationsschäden 265/266

10 I Inhaltsverzeichnis XVII 6.2 Festlegung des NPSH A -Wertes Kavitationsschäden Analyse von NPSH-Problemen Laufradberechnung Drallverteilung am Laufradaustritt Hauptabmessungen axialer Laufräder Tragflügelprofile Schaufelauslegung axialer Laufräder Berechnung der Vorsatzläufer Berechnung des Leitapparates Rotation des Fluids im Radseitenraum Axialkraftberechnung Halboffene Laufräder. Rückenschaufeln Radialschubberechnung Hydraulisch verursachte Schäden an Pumpenbauteilen Auslegungsrichtlinien für niedrige Druckpulsationen Akustische Wirkung von Systemkomponenten Schwingungsanregung durch Wirbelstraßen Erzwungene und selbsterregte Schwingungen Schwingungsdiagnose 487/488/ Turbinenkennlinien (1)Umrechnung der Kennlinien von Wasserförderung auf viskose Medien (2) Berechnung der Kennlinien für viskose Medien Gas-Flüssigkeits-Gemische Expansion von Gas-Flüssigkeits-Gemischen Feststofftransport 573 Liste der Tabellen Tabelle 1.1 Grenzrauhigkeiten 19 Tabelle 6.1 Gebräuchliche Saugzahlen 219 Tabelle 6.2 Typische NPSH-Verhältnisse 225 Tabelle 6.3 Beiwerte X c und A, w bei stoßfreier Anströmung 233 Tabelle 7.1 Saugradauslegung 300 Tabelle 7.2 Schaufelzahlen für Laufräder mit n q > Tabelle 7.3 Leit- und Laufschaufelzahl-Kombinationen 356 Tabelle 10.1 Luftschallberechnung nach Gleichung (10.6) 456 Tabelle 10.2 Beurteilung von Wellenschwingungen 472 Tabelle 10.3 Beurteilung von Lagergehäuseschwingungen 486