Radial- und Axialpumpen

Transkript

1 Radial- und Axialpumpen Theorie, Entwurf'} Anwendung Von A. J. Stepanoff Pb. D., Melville Medalist, A. S.M.E. IngersoU-Rand Company Deutsche durchgearbeitete Übersetzung der zweiten Auflage von Dr.-lng. Alexander Haltmeier Mit 321 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1959

2 ISBN DOI / ISBN (ebook) Authorized translation from the seeond English-language edition: Centrifugal and Axial Flow Pumps by A. J. Stepanoff Published by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1957 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1957 Alle Rechte vorbehalten Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) zu vervielfältigen

3 Vorwort zur englischen.ausgabe Seit Veröffentlichung der ersten Auflage dieses Buches wurde die Anwendung der Kreiselpumpen auf weitere Gebiete ausgedehnt. Gleichzeitig haben sich die Bereiche von Stufenhöhe, Gesamthöhe, Temperatur, Drehzahl und Größe erweitert. Diese Entwicklung warf neue Probleme hydraulischer, mechanischer, metallurgischer und fertigungstechnischer Art auf. Ein beachtlicher Fortschritt wurde in der Zwischenzeit auch hinsichtlich dtlr theoretischen Behandlungsweise und der Entwurfsverfahren erzielt, der auf einem bebberen Verständnis der Vorgänge beim Durchströmen der verschiedenen Pumpenteile beruht. So erschien eine neue Auflage des Buches wünschenswert. Die theoretische Behandlung der Wirkungsweise von Laufrad und Leitorganen und die Art der Darstellung von Versuchsergebnissen sind von der ersten Auflage übernommen, da sich die dort angewandten Methoden in der Zwischenzeit gut bewährt haben. Auch die im letzten Jahrzehnt auf dem Sektor der Turbogebläse gesammelten Erfahrungen zeigten. daß die gewählte Behandlungsweise richtig ist. Einige Abschnitte theoretischen, konstruktiven und anwendungstechnischen Inhalts sind neu aufgenommen worden, während andererseits verschiedene andere Abschnitte gestrichen oder gekürzt wurden, um Raum zu sparen. Die hauptsächlichen Anderungen bzw. Zusätze sind hier aufgeführt: Ein neues Kapitel über "Wasserschlag in Kreiselpumpensystemen" wurde hinzugefügt. Bei der immer weiter zunehmenden Größe und den wachsenden Drehzahlen der Einheiten ist es für den Konstrukteur und den anwendenden Ingenieur unmöglich, sich diesem Problem zu verschließen. Das Kapitel ist zur Einführung in den genannten Fragenkreis gedacht. Kap. 18, das sich mit der Kombination von Kreiselpumpe und Strahlpumpe befaßt, wurde erweitert und zum großen Teil neu geschrieben. Dieses Kapitel brachte mehr Kommentare aus Leserkreisen als irgendein anderes. Die Mehrzahl der Abbildungen in den Kap. 16 und 17 wurde durch neue ersetzt. Die Frage der Förderhöhe von axialen und halbaxialen Maschinen bei geschlobbenem Schieber ist

4 IV Vorwort zur englischen Ausgabe an Hand neuer Versuchsergebnisse behandelt. Die Richtlinien zur Ausbildung des Sumpfes bei vertikalen Propellerpumpen wurden ergänzt. Ein neues Korrekturdiagramm für Zähigkeiten ist in Kap. 16 aufgenommen, das einen weiteren Bereich von Pumpentypen erlaßt. Kap. 13 enthält neue vollständige Charakteristiken von halbaxialen und axialen Pumpen. Auch ein Abriß über den Fortschritt auf dem Gebiet der Speicherpumpen ist in diesem Kapitel enthalten. In Kap. 12 ist ein thermisches Kavitationskriterium eingeführt, um das Kavitationsverhalten beim Pumpen verschiedener Flüssigkeiten miteinander vergleichen zu können. Neue Diagramme für den Entwurf des Laufrades bei beliebigem Austrittswinkel sind in Kap. 9 enthalten. Gleichzeitig ist eine Methode zur Wahl der Entwurfsgrößen für das Gehäuse angegeben. Kap. 5 enthält eine bewährte Methode zur Konstruktion des Eintrittsdreieckes. Eine große Zahl von kleineren Verbesserungen sind im ganzen Buch zu finden. Die alte Numerierung der Kapitel wurde zur leichteren Orientierung für den mit der ersten Ausgabe vertrauten Leser beibehalten. Die erste Auflage des Buches ist in das Japanische übersetzt und eine deutsche Ausgabe der zweiten Auflage ist in Vorbereitung. Zu Dank verpflichtet bin ich der Ingersoll-Rand Company, besonders dem Präsidenten, Herrn R. H. JoHNSON, sowie dem Chefingenieur, Herrn HANNs HoRNSCHUCH, der Abteilung Pumpen und Gebläse, deren Unterstützung die Entstehung dieses Bandes ermöglichte. Professor A. HoLLANDER vom "California Institute of Technology" und Mr. H. A. STA11L von der Ingersoll-Rand Company haben mir durch Verbesserungen und Vorschläge zur Seite gestanden. Obwohl bei der Korrektur des Manuskriptes große Sorgfalt aufgewandt wurde, könnten Fehler entdeckt werden. Ich bitte, mich auf diese Fehler aufmerksam zu machen, ebenso wie ich bitte, an der Darstellungsweise Kritik zu üben oder Verbesserungsvorschläge anzubringen. Phillipsburg, N. J., im April 1957 A.. J. Stepanoff

5 Vorwort des Vbersetzers Das Werk "Centrifugal and Axial Flow Pumps" ist seit langer Zeit nicht nur in der amerikanischen, sondern auch in der deutschen und europäischen Fachliteratur bekannt. Die erste Auflage ist bereits in russischer und japanischer Übersetzung erschienen, und eine französische Ausgabe der zweiten Auflage befindet sich in Vorbereitung. Der Autor sieht entsprechend seiner Position als Entwicklungsingenieur eines bedeutenden Industrieunternehmens die Probleme im wesentlichen von der praktischen und der versuchstechnischen Seite. Zur Lösung der Aufgaben und zur Darstellung des Versuchsmaterials bedient er sich soweit wie möglich der Theorie, ohne ihr jedoch zuviel Platz einzuräumen. Eine derartige Behandlungsweise ist insofern begrüßenswert, als besonders über die Strömung in rotierenden Kanälen noch sehr wenige Erkenntnisse vorliegen. Die Grenzen der üblicherweise benutzten hydraulischen Theorie sind gleich eingangs in Kap. 1 hervorgehoben. Um nicht nur den Text, sondern auch die graphischen Darstellungen dem deutschen Ingenieur leichter zugänglich zu machen, habe ich in Zusammenarbeit mit dem Springer-Verlag eine Übertragung in die deutsche Sprache und in das metrische Maßsystem vorgenommen. Einige kleine Änderungen, die sich nach der Drucklegung der Originalausgabe als notwendig erwiesen, sind bereits eingearbeitet. Ich hoffe, auf diese Weise das Werk einem weiteren Leserkreis zugänglich gemacht zu haben. Herrn Dr. STEPANOFF, dem Verlag John Wiley & Sons, Inc. sowie dem Springer-Verlag möchte ich an dieser Stelle für die bisher erwiesene Unterstützung danken. Frankfurt am Main, im April 1959 A. Haltmeier

6 fuhaltsverzejcbnis 1. Ausgewählte Kapitel aus der Hydraulik I.I. Die BEBNOULLISche Gleichung 1.2. Die REY.NOLDssche Zahl Strömung durch Krümmer Der Abfall der Energie Druckverhältnisse in bewegter Flüssigkeit 1.6. Druckenergie. I. 7. Wirbel Verluste Literatur.. 2. Definitionen und Terminologie 2.I. Einleitung Einteilung und Terminologie 2.3. Anwendungsgebiete und Grenzen 2.4. Die Charakteristik der Pumpe 2.5. Spezifische Drehzahl.... Seite I I IO IO I3 I5 I6 I6 I6 I Die Theorie der Radialpumpe I. Geschwindigkeitsdreiecke Theoretische Förderhöhe der Radialpumpen Die Charakteristik der verlustlosen Pumpe Wirkungsgrade Laufradeinlauf und Vordrall I 3.6. DiskUBBion der EULEBBchen Charakteristik und der EuLEBBchen Geschwindigkeitsdreiecke Strömung durch das Laufrad.. 36 Literatur I 4. Eulersehe Fürderhöhe und Wirbel Radialrad Axialrad Das Axialrad mit erzwungenem Wirbel Das Axialrad mit Potentialwirbel 4.5. Bemerkungen Literatur '. 6. Spezifisehe Drehzahl und Entwurfskenngrößen. 5.I. Kenngrößen von Kreiselpumpen Vorgehen beim Entwurf Verkleinerung des Laufraddurchmessers. 4I 4I

7 Inhalteverzeichnis Seite 8. Entwurf des Laufrades Problemstellung Geometrische Beziehungen Einfach gekrümmte Schaufel Halbaxiale Laufrl.der : 6.5. Die KAPuNiehe Methode Anwendung der KAPuNiehen Dreieckmethode auf die ebene.schaufel Auslegung des Leitrades vertikaler Pumpen. 84: Literatur Das Pumpengebluse 86 7.I. Du Saugrohr Die Spirale Druckverteilung im SpiralgehäUIIe und Radialkr&ft auf die Welle Die Übergangutufen mehrstufiger Pumpen Die Leitvorrichtung 101 Literatur Axialpumpen Einführung Terminologie und Geometrie axialer Laufschaufeln Experimentell festgelegte Entwurfsgrößen Vorgehen beim Entwurf von.axialridem Tragflügeltheorie : 8.6. Du GehäW!e der Axialpumpe Literatur Das hydraulische Verhalten von Kreiselpumpen Die hydrauliachen Verlute Die Droaaelkurve Der hydrauliache Wirkungsgrad Das Pumpendiagramm des Autors. 14:1 Literatur :8 10. Lecknrluste, Schelbenrelbung,.Mechulsehe Verluste 14: Leckverluate : Scheibenreibung IM Mechanische VerlUllte Die Verluste über dem Dlll"chaa.tz bei konstanter Drehzahl Du offene Laufrad 165 Literatur As:lalschub Einstufige Pumpen Mehrstufige Pumpen Offene Laufrider Literatur : 11. Kavitation ln Krelselpumpeu 184: Einführung und Definitionen. 184: Anzeichen von Kavit.tion Kavitationabeeti.ndipl Material Theoretische Beziehungen bei eintretender Kavitation. 196 VII

8 VIII Inhaltsverzeichnis Seite Faktoren, die die Kavitation beeinfllll!llen Vorbenagen über das Kavitationsverhalten aus Geschwindigkeitsbetrachtungen Die Kavitationskonstante von TB:ollrfA Thermodynamische Aspekte der Kavitation Mittel zur Unterdrückung der Kavitation. 220 Literatur Besondere Betriebsbedingungen von Kreiselpumpen Einführung Die D&l'Btellung der vollständigen Charakteristik Mechanische Probleme :. Hydraulische Probleme bei abnormalen Betriebsbedingungen Das Anfahren von Kreiselpumpen : Einfluß der spezifis<.>hen Drehzahl auf das Verhalten von Pumpen unter besonderen Betriebsbedingungen :5 Literatur :6 14. Spezielle Probleme bei Konstruktion und Betrieb von Pampen.. 24:7 14:.1. Instabile Drosselkurven :7 14:.2. Bestimmung des Betriebspunktes von Systemen mit Kreiselpumpen :.3. Zusammenarbeit von Pumpe und Verbrennungsmotor :.4:. Das Fördern von zähen Flüssigkeiten durch Kreiselpumpen :.5. Die Mengenregelung bei Kreiselpumpen :.6. Modellversuche 275 Literatur Kritische Drehzahi Theoretische Beziehungen Faktoren, die die kritische Drehzahl beeinflubben Die Berechnung der kritischen Drehzahl : 15.4:. Beispiel der graphischen Bestimmung der kritischen Drehzahl Die Welle mit drei Lagern Kritische Drehzahlen höherer Ordnung Kritische Drehzahlen sekundärer Art Faktoren mit sekundärem Einfluß auf die kritische Drehzahl Wahl der kritischen Drehzahl Literatur Spezielle Probleme und Anwendungsbelspiele ftlr vertikale Pumpen Leistungsaufnahme bei geschlobbenem Schieber Ausbildung des Sumpfes Vertikale Propellerpumpen und horizontale Pumpen :. Die Charakteristik der vertikalen Pumpanlage Axialpumpen mit einstellbaren Schaufeln Beispiele vertikaler Pumpen Literatur : 17. Spezielle Probleme und Anwendungsbelspiele ftir Radialpumpen. 324: 17.I. Pumpen für heißes Öl : Kesselspeisepumpen Beispiele für Konstruktion und Einbau von Ra.dia.lpumpen.. 34:1 Literatur :8

9 Inhaltsverzeichnis I X Seite 18. Die Kombination von Kreiselpumpe und Wasserstrahlpumpe Allgemeines über die Anlage Strahlpumpen Die Charakteristik der Kombination Kreiselpumpe-Strahlpumpe Ähnlichkeitsgesetze Bestimmung der Windkesselabmessungen für automatische Systeme 365 Literatur Wasserschlag in Kreiselpumpensystemen Wasserschlag in einfachen Rohren Graphische Lösung Beispiele für Wasserschlagprobleme in Systemen mit Kreiselpumpen Spezielle Probleme Beispiele für Schäden durch Wasserschlag. 392 Literatur Sachverzeichnis 398

10 Zusammenstellung der Bezeichnungen a [m/s] Schallgeschwindigkeit in der Rohrleitung A Rechengröße b [m; mm] Laufradbreite B [m; mm] Breite B Rechengröße c [kg/m] Federkonstante c [m/s] Absolutgeschwindigkeit C,.t [1] Auftriebsbeiwert am Tragflügel Cm [m/s] Meridiankomponente der Geschwindigkeit Cu [m/s] Umfangskomponente der Geschwindigkeit cw [1] Widerstandsbeiwert am Tragflügel c' [mfs] Absolute Strömungsgeschwindigkeit im Gegensatz zur c EULBBBchen Absolutgeschwindigkeit Konstante Rechengröße c d [m] Durchmesser (einer Rohrleitung) D [m] Durchmesser (eines Pumpenrades) [m] hydraulischer Durchmesser n" e [m; mm] Exzentrizität fscll [1] Schaufelwirkungsgrad E [m1/s1] Energieinhalt je Masseneinheit E [kg/m1 ; kg/cm2] Elastizitätsmodul I [1] Längenverhältnis I [m; mm] Skeletthöhe eines Tragflügels I [m ] Durchtrittsfliche, Rohrquerschnitt IF [1] kennzeichnendes Flächenverhältnis IH [1] kennzeichnendes Höhenverhältnis IQ [1] kennzeichnendes Mengenverhältnis F [m ] Querschnitt, Fläche FH [1] Korrekturfaktor für Höhe FN [m2 ; cm1] Nabenquerschnitt FQ [1] Korrekturfaktor für Menge Fr [m ] vom Dichtring gebildete Kreisfläche FR [m ] mit Rippen ausgestattete Kreisfläche des Radrückens Fw [m2 ; cm2] Wellenquerschnitt Fr [1] Korrekturfaktor für spezifisches Gewicht g [m/s 2 ] Erdbeschleunigung h [m] geodätische Höhe [m] geodätische Saughöhe h; "' [m]. geodätische Zulaufhöhe hv [m] Verlusthöhe Ah [m] dynamische Drucksenkung in der Pumpe dh [m] Druckabsenkung unter Dampfdruck H [m] Förderhöhe

11 Zusammenstellung der Bezeichnungen XI H 0 [m] Hr~. [m] Ho [m] H, [m] H~n,.[m] Förderhöhe bei Fördermenge null Gesamtdruckhöhe auf der Druckseite Dampfdruckhöhe EULBBBche Förderhöhe kinetischer Anteil der Förderhöhe H, [m] H; [m] Hse [m] Bua [m] H., [m] AH [m] fji1 [kcalfkg; m] I [m'; cm'] k [kg/m2 ; kgfcm 2] k [1] Km [1] K,. [1] l [m] l [m] L [m] L [mkg] m [1] m [kg s 2/m] M [mkg] n [1] n [U/min; U/s] n' [U/s] nk [U/min] 1lq N [kw; PS] Hr.t [m] Förderhöhe entsprechend dem von den Schaufeln übertragenen lloment Gesamte Saughöhe Gesamtdruckhöhe auf der Saugseite Statischer Anteil der Förderhöhe theoretische Förderhöhe hydraulischer Verlust in der Pumpe Haltedruck der Anlage Enthalpiedifferenz entsprechend Druckabsenkung {J,_ Flächenträgheitsmoment Kompressibilitätskoeffizient Konstante Kenngröße flir die lleridiangeschwindigkeit Kenngröße flir die Umfangsgeschwindigkeit lange (einer Rohrleitung) Länge eines Schaufelprofils lange eines Tragflügels mechanische Leistung Exponent Masse Moment Zahl, Exponent Drehzahl Drehzahl kritische Drehzahl spezifische Drehzahl mechanische Leistung p [kgfm 2 ; kgfcm 2] statischer Druck [kg/m 2 ; kgfcm 2] statischer Saugdruck [kg] Radialkraft, Axialschub [m 3 /s; 1/s] [m3/s; lfs] Q., [m3fs; 1/s; cm 3/s] Verlustmenge r R R Fördermenge Fördermenge entsprechend dem von den Schaufeln übertragenen lloment [m] Radius [ 1] Geschwindigkeitsverhiltnis [ 1] Reaktionsgrad R,. [m] hydraulischer Radius ' [m] 1' [m/s] s e [s; h] t [m] fj T [grad C] Ganghöhe einer Schraubenlinie Steiggeschwindigkeit einer Schraubenlinie mit dem Haltedruck gebildete spezifische Drehzahl Zeit Teilung eines Flügelgitters Temperaturdifferenz entsprechend Druckabsenkung {J h

12 XII Zusammenstellung der Bezeichnungen 'U [m/s] Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades u [m] Umfang " "" [m/s] Geschwindigkeit [m/s] Geschwindigkeit auf der Druckseite der Pumpe fjd [m fkg] spezüisches Volumen des Dampfes "' [m3fkg] spezüisches Volumen der Flüssigkeit " [m/s] Geschwindigkeit auf der Saugseite der Pumpe Yo [m/s] Anfangsgeschwindigkeit in der Rohrleitung v, [ma] Volumen der Flüssigkeit VD [m3] Volumen des Dampfes w [m/s] Relativgeschwindigkeit w,. [m/s] Umfangskomponente der Relativgeschwindigkeit w' [m/s] Relative Strömungsgeschwindigkeit im Gegensatz zur :r [m] Laufradbreite :r Exponent y [m] Auslenkung 11 Exponent z Exponent EULBBSchen Relativgeschwindigkeit a [grad; 1] Absolutwinkel im EULBBSchen Dreieck a' [grad; 1] Absolutwinkel im Strömungsdreieck as [grad; 1] Spiralenwinkel fj [grad; 1] Relativer Schaufelwinkel (EULBRIIchea Dreieck) fj' [grad; 1] Relativer Strömungswinkel (Strömungadreieck) I' [kg/m1] spezüisches Gewicht {J [grad; 1] Winkel im Meridianschnitt 'I [1; %] Wirkungsgrad '111 [1; %] hydraulischer Wirkungsgrad 'Im [1; %] mechanischer Wirkungsgrad 'lv [1; %] volumetrischer Wirkungsgrad ). [1] Druckverlustzahl ). [1] Dynamischer Druckabaenkungskoeffizient I' [kg s/m1 dynamische Zähigkeit I' [s) Laufzeit einer Druckwelle II [m1/s] kinematische Ub.igkeit n [1] Produkt, Kenngröße e [kg s1/m'] Dichte a [1] Kavitationszahl ac [1] kritische Kavitationazahl c [1] Widerstandszahl (I) [1] Durchflußkoeffizient (I) = c".fu IP [1] Koeffizient der Förderhöhe IP = g H fu 1 w [1/s] Kreisfrequenz w' [1/s) Kreisfrequenz der Absolutströmung w" [1/s) Kreisfrequenz der Relativströmung WJ& [1/s] kritische Kreisfrequenz