Johann Friedrich Gülich. Kreiselpumpen. Handbuch für Entwicklung, Anlagenplanung und Betrieb. 3., korrigierte und ergänzte Auflage.

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1 Johann Friedrich Gülich Kreiselpumpen Handbuch für Entwicklung, Anlagenplanung und Betrieb 3., korrigierte und ergänzte Auflage fyj Springer

2 Vorwort zur dritten Auflage Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Zum Gebrauch des Buches V VII VIII 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 Berechnung von Reibungsverlusten Rauheitseinfluß auf die Reibungsverluste Verwirbelungsverluste ;-.. c Diffusoren Fluidstrahlen Ausgleich ungleichförmiger Geschwindigkeitsprofile Strömungsverteilung in Parallelsträngen. Rohrleitungsnetze 35 2 Bauarten und Leistungsdaten Wirkungsweise und Aufbau. 39 ' 2.2 Leistungsdaten Spezifische Förderarbeit, Förderhöhe Netto-Energiehöhe im Saugstutzen, NPSH Leistung und Wirkungsgrad Kennlinien Pumpentypen und ihre Anwendung Übersicht Klassifizierungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete 50

3 XI Bauarten Sonderbauarten 64 3 Grundlagen der hydraulischen Berechnung " Berechnung nach Stromfadentheorie Energieübertragung im Laufrad: Spezifische Förderarbeit. Förderhöhe Die Strömungsumlenkung durch die Schaufeln. Abströmbeiwert und Minderumlenkung Dimensionslose Kennzahlen. Ähnlichkeitsgesetze. Spezifische Drehzahl Leistungsbilanz und Wirkungsgrade : Berechnung der Neben Verluste Radreibungsverluste Leckverluste axial durchströmter Dichtspalte Leistungsverlust der Zwischenstufendichtung Leckverluste radial oder diagonal durchströmter Dichtspalte Spaltverluste an offenen Laufrädern Mechanische Verlustleistung Grundsätzliches zur Berechnung der Leitvorrichtung Hydraulische Verluste, Statistische Angaben über Druckzahlen, Wirkungsgrade und Verluste Einfluß der Rauheit und der Reynolds-Zahl Übersicht Wirkungsgradaufwertung Wirkungsgradberechnung aus Verlustanalysen 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 178 '4.6 Analyse von Kennlinienabweichungen und Leistungsdefiziten Berechnung von Kennlinienänderungen 182

4 XII Inhaltsverzeichnis 5 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 Meßtechnische Erkennung des Rückströmbeginns Die Strömung in der Leitvorrichtung Strömungsablösung im Leitrad Der Druckrückgewinn im Leitrad Einfluß der 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 Typ F Beeinflussung der Sattel-Instabilität der Radialräder mit n^ < Beeinflussung der Sattel-Instabilität der Radialräder mit n q > Beeinflussung der Instabilität der Halbaxial- und Axialräder Reduktion von Förderhöhe und Leistung bei Nullförderung Zur Strömung in offenen Axialrädern Saugverhalten und Kavitation Physikalische Grundlagen Entstehung und Implosion von Dampfblasen in einer Strömung Blasendynamik Kavitation in Laufrad und Leitrad Druckverteilung und Blasenfeld Erforderlicher NPSH-Wert. Ausmaß der Kavitation. Kavitationskriterien Modeilgesetze für Kavitationsströmungen 268

5 XIII Die Saugzahl Experimentelle Bestimmung des erforderlichen.npsh R -Wertes Spaltkavitation *Bestimmung des NPSH R -Wertes :284 6*3.1 EinflußparameteraufdenNPSH R -Wert Berechnung des NPSH R -Wertes Abschätzung des NPSH 3 -Wertes als Funktion des Förderstromes Einfluß der Fluideigenschaften Thermodynamische Einflüsse : Nichtkondensierbare Gase Keimgehalt und 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 363

6 XIV Inhaltsverzeichnis 7.3 Radiale Laufräder für kleine spezifische Drehzahlen Einfach gekrümmte Schaufeln (Zylinderschaufeln) Lochscheiben Radialer Schaufelstern ; Doppeltwirkende Laufräder mit radialen Schaufeln Radiale Laufräder für Pumpen mit Verstopfungsgefahr Halbaxiale Laufräder Axiale Laufräder und Leitapparate 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 Haüptabmessungen 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 und 3D-Euler-Rechnungen Quasi-3D-Verfahren Dreidimensionale Euler-Verfahren Grundlagen für Navier-Stokes-Berechnungen Navier-Stokes-Gleichungen Turbulenzmodellierung Behandlung der Strömung in Wandnähe ' Netzerzeugung Numerische Verfahren und Steuerparameter Randbedingungen ' Anfangswerte Möglichkeiten von 3D-Navier-Stokes-Berechnungen 466

7 XV 8.4 Mittelwertbildung und Datenaufbereitung Laufradberechnung Globalwerte im Bestpunkt Geschwindigkeitsprofile." Einflußparameter Berechnungsbeispiel Berechnung von Leitvorrichtungen und Stufen Getrennte Berechnung der Leitvorrichtung Stationäre Berechnung von Stufen oder kompletten Maschinen Instationäre Berechnungen Zwei-Phasen- und Kavitationsströmungen Berechnungsstrategien, Unsicherheiten, Qualität Unsicherheiten, Fehlerquellen, Fehlerreduktion Qualitätssicherung bei CFD-Rechnungen Vergleich zwischen Rechnung und Messung Kriterien für die Beurteilung numerischer Berechnungen Allgemeine Hinweise Konsistenz und Plausibilität der Rechnung Werden die verlangten Leistungsdaten erreicht? Maximierung des hydraulischen Wirkungsgrades Kennlinienstabilität Grundsätzliches zu CFD-Rechnungen Hydraulische Kräfte Die Strömung im Radseitenraum Axialkräfte Axialkraftberechnung allgemein Einstufige Pumpen mit einflutigem, überhängendem Laufrad Mehrstufige Pumpen Doppelflutige Laufräder Halbaxiale Laufräder, > Axialpumpen Rückenschaufeln Halboffene Laufräder Instationäre Axialkräfte Radialkxäfte Definition und Abgrenzung Messung von Radialkräften ' Pumpen mit Einfachspirale Pumpen mit Doppelspirale Pumpen mit Ringraum Leitradpumpen Radialkraft infolge ungleichförmiger Zuströmung Axialpumpen Radialkräfte in Pumpen mit Einkanallaufrad 555

8 XVI Inhaltsverzeichnis Radialkraftausgleich Radialkraftberechnung 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 Bauteilbeanspruchung durch instationäre Strömungsvorgänge Schallabstrahlung Körperschall Luftschall Übersicht über mechanische Schwingungen bei Kreiselpumpen Rotordynamik Übersicht Kräfte in Spaltdichtungen Hydraulische Laufradwechselwirkung Lagerreaktionen Eigenwerte und kritische Drehzahlen.' Rotor-Instabilitäten Hydraulische Schwingungsanregung Interferenzen zwischen Lauf- und Leitschaufelri Umlaufende Ablösungen > Übrige Erregermechanismen : Richtlinien für die Konstruktion schwingungsarmer Pumpen Zulässige Schwingungen? Allgemeine Schwingungsdiagnose Überblick Schwingungsmessungen Schwingungsdiagnose : 625 ' Lagergehäuseschwingungen: Mechanismus, Diagnose, Abhilfe Hydraulische Erregermechanismen Mechanische Auswirkungen hydraulischer Anregung Hydraulische und mechanische Abhilfe Diagnose von Lagergehäuseschwingungen Hydraulische u. akustische Anregung v'. Rohrleitungsschwingungen Anregung von Rohrleitungsschwingungen durch Pumpen Anregung von Rohrschwingungen durch Komponenten 656

9 XVII Akustische Resonanzen in Rohrleitungen Hydraulische Anregung durch Wirbelstraßen Kopplung zwischen Strömung und Schallwellen Zum Mechanismus von Rohrleitungsschwingungen Torsionsschwingungen 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 697 I Transientes Absinken des Zulaufdruckes Einlaufbauwerke. Zulauf aus Behältern mit freiem Fluidspiegel...7O Topfpumpen Druckleitungen Turbinenbetrieb. Allgemeines Kennfeld Rückwärtslaufende Kreiselpumpen als Turbinen Theoretische und reale Kennlinien Leerlauf- und Widerstandskennlinien Berechnung der Kennlinien aufgrund empirischer Korrelationen Berechnung der Turbinenkennlinien aufgrund Verlustanalysen 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 Einfluß der Zähigkeit auf das Saugverhalten Anfahren der Pumpe mit einem viskosen Medium Hinweise für die Anwendung Förderung von Gas-Flüssigkeits-Gemischen Phasenverteilung in der Rohrströmung Phasenverteilung in der Pumpenströmung, Einflußparameter Empirische Behandlung von Zweiphasenströmungen Verhalten von Kreiselpumpen bei Gas-Flüssigkeits-Förderung Helico-axiale Mehrphasenpumpen Systemkennlinien : Flüssigkeits- und Gasansammlungen 800

10 XVIII Inhaltsverzeichnis Ungelöste und gelöste Gase und NPSH Entspannung von Zweiphasengemischen in Turbinen Berechnung des Arbeitsumsatzes Berechnung der Turbinenkennlinien bei Zweiphasenströmung Hydraulischer Feststofftransport Nicht-Newton'sehe Flüssigkeiten Werkstoffwahl für hohe Geschwindigkeiten Ermüdungsbrüche an Laufrädern oder Leiträdern Korrosion Grundsätzliches Korrosionsmechanismen Korrosion in Trinkwasser, Kühlwasser, Abwasser Korrosion in Meerwasser und Lagerstättenwasser Erosionskorrosion in vollentsalztem Wasser Materialwahl und zulässige Geschwindigkeiten Definition häufig vorkommender Fördermedien Metallische Pumpenwerkstoffe Laufräder, Leiträder und Gehäuse Spaltringwerkstoffe Werkstoffe für mediumsberührte Wellen Werkstoffe für Speisewasser- und Kondensatpumpen Werkstoffe für REA-Pumpen Hydroabrasiver Verschleiß Einflußparameter Quantitative Verschleißabschätzung Materialverhalten und Feststoffeinfluß Materialwahl Abrasionsverschleiß in Feststoffpumpen Zur Auswahl und Qualität von Kreiselpumpen Die Pumpenspezifikation Bestimmung von Pumpentyp und Baugröße Technische Qualitätskriterien Strömungstechnische Kriterien : Herstellungsqualität Hochleistungspumpen 919 Anhang 925 Al Umrechnung von Maßeinheiten 925 A2 Eigenschaften von Wasser im Sättigungszustand 927. A3 Lösung von Gasen in Wasser 930 A4 Qualitätsanforderungen an Gußstücke 933 A5 Physikalische Größen 935 A5.1 Atmosphärischer Luftdruck 935

11 XIX A5.2 Fallbeschleunigung 935 A6 Schallgeschwindigkeit in einer Flüssigkeit 936 A7 Mechanische Schwingungen. Grundbegriffe 937 A7.1. Freie Schwingungen mit viskoser Dämpfung r.937 A7.2. Erzwungene Schwingungen 939 A7.3. Eigenfrequenzen einfacher Strukturen 946 Literaturverzeichnis 947 Sachverzeichnis 973 Formelzeichen XXIV