Bauarten und Leistungsdaten

Transkript

1 Bauarten und Leistungsdaten 2 Zusammenfassung Kreiselpumpen dienen zum Fördern von Flüssigkeiten. Die Förderleistung der Pumpe bei einer gegebenen Rotordrehzahl wird durch den Volumenstrom, die Druckerhöhung oder Förderhöhe, die an der Kupplung aufgenommene Leistung, den Wirkungsgrad und den NPSH-Wert beschrieben. Für die verschiedenen Anwendungen gibt es auf dem Markt ein breites Angebot von Pumpentypen. Alle haben mindestens ein Laufrad und einen Leitapparat, mit dem ein Großteil der am Laufradaustritt vorhandenen kinetischen Energie in statischen Druck umgewandelt wird. Verschiedene Formen von Lauf- und Leiträdern, Spiralen und Einlaufgehäusen stehen zur Auswahl für den Bau von radialen, halbaxialen oder axialen ein- oder mehrstufigen Pumpen in horizontaler oder vertikaler Bauart, um für jede spezifische Anwendung eine optimale Pumpe konzipieren zu können. 2.1 Wirkungsweise und Aufbau Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen zum Fördern von Flüssigkeiten, deren Aufgabe darin besteht, einen bestimmten Volumenstrom auf ein spezifiziertes Druckniveau zu bringen. In Strömungsmaschinen beruht der Energieumsatz grundsätzlich auf hydrodynamischen Vorgängen, die dadurch gekennzeichnet sind, daß alle Druck- und Energiedifferenzen proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit sind. Im Gegensatz hierzu stehen Verdrängerpumpen (z. B. Kolbenpumpen), die rein hydrostatisch wirken und deren Druckerhöhung unabhängig von Strömungsgeschwindigkeit oder Drehzahl erfolgt und sich allein entsprechend dem aufgeprägten Gegendruck einstellt. Eine Kreiselpumpe besteht nach Abb. 2.1 im wesentlichen aus einem Gehäuse, einer Lagerung für die Pumpenwelle und einem Laufrad. Die zu fördernde Flüssigkeit strömt durch den Saugstutzen zum Laufrad. Das über eine Kupplung von einem Motor angetriebene, auf der Welle fliegend angeordnete Laufrad überträgt die zur Förderung notwendi- J. F. Gülich, Kreiselpumpen, DOI / _2, Springer-Verlag Berlin Heidelberg

2 44 2 Bauarten und Leistungsdaten Ansicht X X Abb. 2.1 Einstufige Spiralgehäusepumpe mit Lagerträger, Sulzer Pumpen AG ge Energie auf das Fluid; dieses wird in Umfangsrichtung beschleunigt, wobei aus kinetischen Gründen der statische Druck steigt, weil die Strömung auf gekrümmten Bahnen verläuft (Kap ). In einer Leitvorrichtung wird das vom Laufrad geförderte Medium wie in einem Diffusor verzögert, um einen möglichst großen Anteil der am Laufradaustritt vorhandenen kinetischen Energie zur Erhöhung des statischen Druckes zu nutzen. In Abb. 2.1 besteht der Leitapparat aus einem Spiralgehäuse, an das sich ein Diffusor und der Druckstutzen anschließen. Eine Wellendichtung, z. B. eine Packungsstopfbuchse oder Gleitringdichtung, verhindert das Austreten von Förderflüssigkeit in die Umgebung oder die Lagerung (Wellendichtung in Abb. 2.1 nicht dargestellt). Vor dem Laufrad kann, wie in Abb. 2.1, zur Verbesserung der Saugfähigkeit ein Vorsatzläufer angeordnet werden (Kap. 7.7); er entfällt bei den meisten Anwendungen. Zwischen Laufrad und Gehäuse ist ein enger Dichtspalt angeordnet, durch den eine gewisse Leckage vom Laufradaustritt zum -eintritt zurückfließt. Ein zweiter, auf der Tragscheibe angeordneter Dichtspalt dient dem Ausgleich der auf die Laufraddeckscheiben wirkenden Axialkräfte. Das durch den Spalt strömende Fluid gelangt über Bohrungen in der Tragscheibe in den Saugraum zurück ( Entlastungsbohrungen für den Axialschubausgleich ). Das Laufrad besteht aus einem Nabenkörper, der eine Einheit mit der Tragscheibe bildet, den Schaufeln, die Energie auf das Fluid übertragen können, und der Deckscheibe. (Letztere entfällt bei manchen Anwendungen, man spricht dann von halboffenen Laufrädern.) Abbildung 2.2 zeigt ein Laufrad im Achsenschnitt Meridianschnitt und im Grundriß. Die in Drehrichtung vorne liegende Schaufelfläche weist auf einem gegebenem Radius den höchsten Druck auf; sie wird als Druckfläche oder Druckseite bezeichnet. Die gegenüberliegende Fläche mit dem niedrigeren Druck gilt entsprechend als Saugfläche oder Saugseite. Beim Blick in den Saugmund ist die Saugfläche sichtbar. Sie wird daher mitunter als sichtbare Schaufelfläche oder Schaufelunterseite bezeichnet; während die vom Saugmund nicht sichtbare Druckfläche auch als Schaufeloberseite gekennzeichnet wird; diese Begriffe sind nicht eindeutig und daher zu vermeiden. In Abb. 2.2 sind ferner die Saugkante (auch Eintritts- oder Vorderkante) und die Druckkante (auch Austritts-

3 2.1 Wirkungsweise und Aufbau 45 Deckscheibe DK Tragscheibe ω Schaufeln Druckfläche DK Saugmund SK Nabe Saugfläche SK Abb. 2.2 Meridianschnitt und Grundriß eines radialen Laufrades SK Saugkante, DK Druckkante Abb. 2.3 Radiales Laufrad n q = 85, modelliert als 3D-Modell, Sulzer Pumpen AG oder Hinterkante) definiert. Abbildung 2.3 zeigt ein Laufrad, das mit einem 3D-CAD Programm modelliert wurde. Entsprechend der Förderaufgabe und dem Anwendungszweck gibt es eine Palette von Pumpenbauarten und -komponenten, die sich nach verschiedenen Gesichtspunkten klassifizieren lassen. Tafel 2.1 gibt einen Überblick über die verschiedenartigen Bauformen von Laufrädern, Leitvorrichtungen, Einlaufgehäusen und Kombinationsmöglichkeiten dieser Elemente (die folgenden Punkte A bis G beziehen sich auf die entsprechende Rubrik in Tafel 2.1): A. Je nach Strömungsrichtung am Laufradaustritt unterscheidet man radiale, halbaxiale und axiale Laufräder. Man spricht demzufolge auch von Radial-, Halbaxial- und Axialpumpen (auch als Propellerpumpen bezeichnet). B. Laufräder mit Deckscheibe werden als geschlossen, ohne Deckscheibe als halboffen und mit weitgehend durchbrochener Tragscheibe als offen bezeichnet. C. Gemäß der Strömungsrichtung am Leitradeintritt kennt man radiale, halb-axiale und axiale Leiträder. Schaufellose Leitringe werden selten ausgeführt.

4 46 2 Bauarten und Leistungsdaten Tafel 2.1 Hydraulische Pumpenkomponenten und Schaltungen Komponente Radial Halbaxial Axial Merkmal A Laufradform: Kennzeichen: Strömungsrichtung am Laufradaustritt B Laufradbauart geschlossen halboffen offen C Leitrad: Kennzeichen Strömungsrichtung am Leitradeintritt radial halbaxial D Gehäuseform Einfachspirale Doppelspirale konzentrischer Ringraum Ringraum + Spirale E Einlaufgehäuse Ringraum-Einlauf Symmetrischer Einlauf Asymmetrischer Einlauf F Reihenschaltung: mehrstufige Pumpen mehrstufige halbaxiale Pumpen siehe Abb G Parallelschaltung: doppelflutige Pumpen einstufig mehrstufige doppelflutige Pumpen siehe Abb

5 2.2 Leistungsdaten 47 D. Als Leitvorrichtung sind bei einstufigen Pumpen Spiralgehäuse am weitesten verbreitet. Mitunter findet man auch konzentrische Ringräume oder Kombinationen von Ringraum und Spirale. E. Bei einstufigen, einflutigen Pumpen erfolgt der Zulauf meist axial wie in Abb. 2.1, bei Pumpen mit durchgehender Welle radial. Vertikale Pumpen saugen oft über eine Trompete aus einem Sumpf in Naßaufstellung an, Kap F. Kann mit einem Laufrad nicht genügend Druck erzeugt werden, schaltet man mehrere Laufräder zu einer mehrstufigen, radialen oder halbaxialen Pumpe hintereinander. Die Leiträder werden dabei durch Rückführschaufeln ergänzt, die das Fluid zum Laufrad der folgenden Stufe leiten. Mehrstufige Pumpen lassen sich mit Spiralgehäusen an Stelle von Leiträdern ausführen; das Fluid wird dann der folgenden Stufe über entsprechend geformte Kanäle zugeführt. G. Radiale Laufräder werden auch doppelflutig ausgeführt, um größere Förderströme bewältigen zu können. Doppelflutige Pumpen werden ein- oder mehrstufig gebaut. Die in Tafel 2.1 aufgeführten Komponenten und Merkmale ermöglichen viele Kombinationen, um Pumpen für die verschiedensten Anforderungen zu optimieren, wie sie sich aus den Förderdaten, konstruktiven, herstellungstechnischen sowie Einbau- und Betriebserfordernissen ergeben. Laufräder, Spiralgehäuse und Leiträder werden wegen ihrer komplizierten, räumlich gekrümmten Flächen überwiegend als Gußstücke ausgeführt. 2.2 Leistungsdaten Förderleistung und Kenndaten einer Kreiselpumpe sind gekennzeichnet durch: den Förderstrom Q, der in der Regel als nutzbarer Volumenstrom durch den Druckstutzen definiert ist die spezifische Förderarbeit Y oder die Förderhöhe H = Y/g den Leistungsbedarf P an der Pumpenkupplung den Wirkungsgrad η an der Pumpenkupplung die Netto-Energiehöhe NPSE = g NPSH am Pumpeneintritt. Zu diesen Angaben gehört unabdingbar die Drehzahl n des Pumpenrotors Spezifische Förderarbeit, Förderhöhe Die spezifische Förderarbeit Y ist die dem Fluid durch die Pumpe zugeführte nutzbare Totalenergie pro Masseneinheit, die zwischen Saug- und Druckstutzen gemessen wird. Y ist identisch mit der zugeführten Totalenthalpie h tot, die sich bei inkompressibler Strömung aus Δh tot = Δp tot /ρ ergibt (s. Kap ). In der Praxis arbeitet man meist mit der

6 48 2 Bauarten und Leistungsdaten Förderhöhe H = Y/g, die als Energieeinheit aufzufassen ist und als potentielle Totalenergie verstanden werden kann. Es gilt: Y= h = p p 2,tot 1,tot tot =g H ρ (2.1) Der Totaldruck (oder Gesamtdruck) setzt sich nach Gl. (1.7) zusammen aus dem statischen (System-) Druck p, dem der geodätischen Höhen z entsprechenden Druck und dem Staudruck ½ρc 2. Die zwischen Saug- und Druckstutzen gemessene Förderhöhe ergibt sich daher nach Tafel 2.2 aus der Differenz der Totaldrücke bzw. der Energiehöhen H d und H s (Index d = Druckstutzen; s = Saugstutzen). H= p p d ρ g s c + z z + d s 2 d c 2g 2 s (2.2) Alle Energieanteile werden dabei als Energiehöhen ausgedrückt: die an Saug- oder Druckstutzen meßbaren statischen Druckhöhen p/(g ρ), die potentielle Energie z und Geschwindigkeitshöhen c 2 /(2 g). Förderhöhe und spezifische Förderarbeit sind unabhängig von der Dichte bzw. der Art des Mediums. Eine Pumpe hat also bei der Förderung von Wasser, Quecksilber oder Luft (theoretisch) die gleiche Förderhöhe; sie liefert aber keineswegs die gleiche Druckerhöhung Δp = ρ g H, die man mit Manometern messen würde: alle Druckdifferenzen, Leistungen, Kräfte und Spannungen sind proportional zur Dichte. Tafel 2.2 zeigt, wie die verschiedenen Anteile der Förderhöhe bei einer Messung oder Rechnung zu berücksichtigen sind. Als Bezugsebene ist bei Pumpen mit horizontaler Welle die Achshöhe zu wählen; bei Pumpen mit vertikaler oder schräg liegender Welle wird der Durchstoßpunkt der Welle mit der Horizontalen durch den Mittelpunkt des Eintritts des oberen Sauglaufrades als Bezugsebene verwendet, [N.1]. Manometerablesungen sind entsprechend deren Höhenlage auf die Bezugsebene zu korrigieren, [N.2]. Da in die Berechnung der Förderhöhe nur Druckdifferenzen eingehen, kann man in Gl. (T2.2.1 bis 6) absolute Drücke oder Überdrücke aus Messungen verwenden. Damit durch eine gegebene Pumpenanlage ein verlangter Volumenstrom fließen kann, muß die Pumpe eine bestimmte Förderhöhe aufbringen, die man als den Förderhöhenbedarf der Anlage bezeichnet. Sie berechnet sich unter Berücksichtigung aller Strömungsverluste in der Anlage (ausgenommen die Verluste in der Pumpe) nach der Bernoulli schen Gleichung, s. Tafel 2.2, Gl. (T2.2.6). Im stationären Betrieb gilt H = H A : die Förderhöhe der Pumpe ist gleich dem Förderhöhenbedarf der Anlage Netto-Energiehöhe im Saugstutzen, NPSH Wird in einer Flüssigkeit der Dampfdruck unterschritten, verdampft ein Teil des Fluids. Erfolgt eine derartige Druckabsenkung und Teilverdampfung im Laufradeintritt infolge

7 Tafel 2.2 Förderhöhe und Haltedruckhöhe (NPSH) Pumpe Gl. Anlage Gl. Energiehöhe am Eintritt (zugeführte Energie) Energiehöhe am Austritt (abgeführte Energie) p c 2 H s s s = + z s + = H e H v,s ρg 2g p c 2 H d d d = + z d + = H a + H v,d ρ g 2g p c 2 H e z e e = + e ρ g 2g p c 2 H a z a a = + a ρ g 2g 2.2 Leistungsdaten Förderhöhe Zulaufenergiehöhe über Dampfdruck p v p abs = p amb + p s H tot = H d - H s H = H d - H s = H a - H e + H v,d + H v,s p c 2 c 2 d p s d s p c 2 c 2 H tot = + z d z s a p e a H e A = + z a z e + + H v,d + H v,s ρ g 2g ρ g 2g NPSH = H s + (p amb - p v )/(ρ g) NPSH A = H s + (p amb - p v )/(ρ g) p s,abs p v c 2 z s p NPSH = + s e,abs p v c 2 NPSH z e A = + e + H v,s ρ g 2g ρ g 2g ρ p s,abs = p e,abs + ρ g z S H v,s ) Statischer Druck im Saugstutzen (z e (c e 2 c s 2) Maximal zulässige, geodätische Saughöhe (z e negativ) Minimal erforderliche, geodätische Zulaufhöhe (z e positiv) p e c e z e H e p d c d H d p a +z z d z = 0 c a z a H a a z e = NPSH erf + H v,s p e,abs p v c 2 e ρ g 2g + a Alle Höhenkoten z sind vorzeichenbehaftet. H v,s, H v,d Strömungsverlusthöhen in Saug- bzw. Druckleitung p s, p d statische Drücke gemessen am Saug- bzw. Druckstutzen p e, p a statische Drücke über Saug- bzw. Druckwasserspiegel reference level p s c s H s z s -z 49

8 50 2 Bauarten und Leistungsdaten Übergeschwindigkeiten bei der Umströmung der Schaufeln, kann die Förderung beeinträchtigt werden. Dieser als Kavitation, bezeichnete Vorgang wird in Kapitel 6 ausführlich besprochen. Die Zulaufverhältnisse am Saugstutzen einer Pumpe bilden deshalb ein wichtiges Auslegungs- und Auswahlkriterium. Sie werden beschrieben durch die Netto- Energiehöhe, die als absolute Energiehöhe H s,abs minus Verdampfungsdruckhöhe p v /(ρ g) definiert ist und durch den NPSH-Wert ausgedrückt wird. (Der NPSH-Wert net positive suction head entspricht der Haltedruckhöhe.) Die Verhältnisse sind in Tafel 2.2 dargestellt. Man unterscheidet den experimentell bestimmten NPSH-Wert der Pumpe ( erforderlicher NPSH-Wert oder NPSH R ), der benötigt wird, um Kavitation ganz oder teilweise zu unterdrücken, sowie den NPSH-Wert NPSH A, der in der Anlage zur Verfügung steht. Da man den Dampfdruck p v als absoluten Druck aus Dampftafeln erhält, sind in Gl. (T2.2.7 und 8) absolute Drücke für die NPSH-Berechnung einzusetzen. Aus der Bernoulli schen Gleichung erhält man den absoluten Druck am höchsten, im Abstand a über der Rotorachse liegenden Punkt des Laufrades; dieser Druck darf nie unter einen Wert fallen, bei dem sich im Laufradeintritt infolge Kavitation ein unzulässig großes Dampfvolumen bildet. Wurde für eine gegebene Pumpe der Wert NPSH R definiert, der einem bestimmten Ausmaß an Kavitation entspricht, erhält man aus der Bedingung NPSH A > NPSH R, die Zulaufverhältnisse z e, die in der Anlage zu schaffen sind, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten (Kap. 6). Ergibt sich z e aus Gl. (T2.2.10) als negativ, stellt dieser Wert die größte zulässige geodätische Saughöhe dar: zsgeo,, max = ze. Liefert Gl. (T2.2.10) einen positiven Wert, benötigt die Pumpe Zulauf, d. h. der Wasserspiegel muß oberhalb der Maschine liegen. Man erkennt aus Gl. (T2.2.10), daß dies grundsätzlich immer der Fall ist, wenn Flüssigkeiten im Sättigungszustand gefördert werden sollen, da dann p e,abs = p v gilt. Mit Ausnahme von Sonderbauarten können Kreiselpumpen nur angefahren werden, wenn sie mit Flüssigkeit gefüllt sind; sie sind nicht selbstansaugend, können also die Saugleitung nicht evakuieren. Selbstansaugende Kreiselpumpen sind: Seitenkanal-, Peripheral- und Wasserringpumpen. Diese Bauarten werden eingesetzt, wenn die Pumpe selbstansaugend sein muß (z. B. bei manchen Feuerlöschpumpen). Die erwähnten selbstansaugenden Pumpenbauarten werden auch mitunter mit radialen Laufrädern kombiniert Leistung und Wirkungsgrad Da die spezifische Förderarbeit die auf die Masseneinheit bezogene übertragene Energie darstellt, ergibt sich die Förderleistung P u (Nutzleistung) einer Pumpe durch Multiplikation des geförderten Massenstromes m = ρ Q mit der spezifischen Förderarbeit Y: P= u ρ Y Q = ρ g H Q (2.3)

9 2.3 Pumpentypen und ihre Anwendung 51 Abb. 2.4 Kennlinien einer Kreiselpumpe mit Anlagenkennlinie H A H [m], P [kw], η [%], NPSH 3 [m] H NPSH 3 P H A η Q [m 3 /h] Die an der Kupplung notwendige Antriebsleistung P ist um die Verluste größer als die Nutzleistung; das Verhältnis beider Größen ist definiert als der Pumpenwirkungsgrad η: η = P u P = ρ g H Q P (2.4) Kennlinien Variiert der Förderstrom einer Pumpe, verändern sich Förderhöhe, Leistungsbedarf und Wirkungsgrad. Werden diese Größen über dem Förderstrom aufgetragen, erhält man die Kennlinien der Pumpe, Abb Der Wirkungsgrad weist bei einem bestimmten Förderstrom ein Maximum auf, das als Bestpunkt bezeichnet wird. Die Pumpenauslegung erfolgt für diesen Bestpunkt, der durch die Werte Q opt, H opt, P opt und η opt gekennzeichnet wird. Der momentane Arbeitspunkt einer Pumpe stellt sich grundsätzlich so ein, daß die Förderhöhe der Pumpe gleich dem Förderhöhenbedarf der Anlage ist: H = H A. 2.3 Pumpentypen und ihre Anwendung Übersicht Der Transport von Flüssigkeiten mit Kreiselpumpen hat in vielen Lebensbereichen und Industriezweigen eine eminente technische und wirtschaftliche Bedeutung (das Weltmarktvolumen für Kreiselpumpen liegt in der Größenordnung von 13 Mrd. /a). Der Einsatzbereich umfaßt Kleinpumpen wie Heizungsumwälzpumpen und Kfz-Kühlwasserpumpen mit wenigen Watt Antriebsleistung bis zu Speicherpumpen mit mehr als 60 MW und Pumpturbinen mit über 250 MW im Pumpbetrieb.

10 52 2 Bauarten und Leistungsdaten Unter dem Begriff Kreiselpumpen versteht man Radial-, Halbaxial- und Axialpumpen, aber auch Seitenkanal-, Peripheral- und Wasserringpumpen, deren Wirkungsprinzip sich grundsätzlich von der Arbeitsweise der ersten Gruppe unterscheidet. Kreiselpumpen im eigentlichen Sinne werden gebaut für Förderströme von 0,001 bis 60 m 3 /s, Förderhöhen von 1 bis 5000 m und Drehzahlen von wenigen hundert bis vielleicht Umdrehungen pro Minute (die angegebenen Werte sollen den breiten Anwendungsbereich illustrieren, sie umfassen nicht unbedingt die absoluten Grenzen ausgeführter oder zukünftiger Maschinen). Förderstrom, Förderhöhe und Drehzahl sind die drei Parameter, die eine Förderaufgabe charakterisieren und damit den Laufradtyp und die Bauart der Pumpe weitgehend bestimmen. Wie in Kap. 3.4 gezeigt, stellt die spezifische Drehzahl n q eine Beziehung zwischen diesen drei Förderparametern her, die für Auswahl, Betrieb und Konstruktion einer Pumpe von fundamentaler Bedeutung ist: n q = n Q/fq ( H / z ) tot st 075. (2.5) Dabei bedeuten z st die Stufenzahl, H st = H tot /z st folglich die Förderhöhe pro Stufe und f q die Anzahl der Ströme, die in ein Laufrad eintreten, also f q = 1 für einflutige bzw. f q = 2 für doppelflutige Laufräder. Ob radiale, halbaxiale oder axiale Laufräder einzusetzen sind, hängt sowohl von der spezifischen Drehzahl als auch von der Pumpenbauart ab: so kann man eine Pumpe mit mittlerer spezifischer Drehzahl z. B. n q = 60 entweder mit einem Radialrad oder mit halbaxialem Laufrad ausrüsten, je nach der Bauart, die für den geplanten Einsatz am wirtschaftlichsten ist. Aus Gl. (2.5) ist zu erkennen: Um kleine Förderströme auf große Drücke zu bringen, sind Pumpen mit niedriger spezifischer Drehzahl einzusetzen. Da der Wirkungsgrad unter n q < 20 mit abnehmender spezifischer Drehzahl rasch abfällt (Kap. 3.9, Abb bis 3.32), liegt die untere Grenze für den wirtschaftlichen Einsatz von Kreiselpumpen bei Kleinpumpen etwa bei n q = 5 bis 8 und bei größeren Leistungen etwa bei n q = 10 bis 15 je nach dem Anwendungsbereich und den Erfordernissen nach tiefen Energiekosten. Wird diese Grenze unterschritten und kann die Drehzahl nicht erhöht werden, sind entweder mehrstufige Pumpen einzusetzen, wodurch sich nach Gl. (2.5) die spezifische Drehzahl erhöht, oder man muß auf einen anderen Pumpentyp übergehen. Um große Volumenströme auf kleine Förderhöhen zu bringen, werden Pumpen hoher spezifischer Drehzahl benötigt. Die obere wirtschaftliche Anwendungsgrenze liegt nicht scharf definierbar im Bereich von n q = 350 bis 450; darüber begrenzen Bauaufwand und hydraulische Verluste den sinnvollen Einsatz. Die Grenze einer ökonomischen Anwendung wird indessen nicht nur durch die spezifische Drehzahl bestimmt; auch die Zulaufbedingungen und die absolute Größe der Pumpe beeinflussen deren Auswahl und Bauart wesentlich. Ergeben sich in einem bestimmten Anwendungsfall zu hohe spezifische Drehzahlen, ist der Förderstrom auf mehrere parallelarbeitende Pumpen aufzuteilen, wodurch die spezifische Drehzahl entsprechend sinkt. Eine Aufteilung