Kreiselpumpen: Handbuch für Entwicklung, Anlagenplanung und Betrieb

1190 Pages·2013·55.294 MB·German

by  Johann Friedrich Gülich (auth.)

Kreiselpumpen
Johann Friedrich Gülich
Kreiselpumpen
Handbuch für Entwicklung,
Anlagenplanung und Betrieb
4., aktualisierte und erweiterte Auflage
Johann Friedrich Gülich
[email protected]
ISBN 978-3-642-40031-5 ISBN 978-3-642-40032-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-40032-2
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Vorwort zur vierten Auflage
Betriebskosten und Verfügbarkeit von Kreiselpumpen werden wesentlich durch ein breites
Spektrum strömungstechnischer Phänomene bestimmt, deren Kenntnis gleichermaßen
für die Pumpenentwicklung, die Anlagenplanung und für die Analyse von Problemen oder
Schadensfällen notwendig ist. In diesem Buch wird daher versucht, die Strömungstechnik
der Kreiselpumpen im weitesten Sinne in praxisrelevanter Form darzustellen. Neben den
hydraulischen Grundlagen und der Auslegung der hydraulischen Komponenten werden
Themen behandelt wie Strömungskräfte, Kennlinienstabilität, Kavitation als Strömungs-
erscheinung und Schadensursache, die Strömung in Dichtspalten und Radseitenräumen
sowie die dort entstehenden Kräfte, alle erdenklichen Arten von hydraulisch erregten
Schwingungen an der Pumpe selbst oder an Rohrleitungen, schließlich auch Materialfra-
gen wie hydraulisch induzierte Ermüdungsbrüche, Erosionskorrosion und Abrasion. Strö-
mungstechnische Gesichtspunkte gilt es ferner zu beachten bei der Pumpenauswahl, die
nur dann optimal ist, wenn das Zusammenwirken von Pumpe und Anlage bezüglich Rohr-
leitungsführung, Zuströmung zur Pumpe, Regelung und Betriebsführung beachtet wird.
Beim Auftreten von Anlageproblemen wirken oft mehrere der erwähnten Phänomene
zusammen. Deshalb sind nicht nur die betroffenen Komponenten sondern auch die Ma-
schine als Ganzes sowie deren Verhalten in der Anlage zu analysieren.
Die vorliegende vierte deutsche Auflage wurde im wesentlichen durch folgende Infor-
mationen ergänzt:
1. Als eine Neuheit mag ein voll analytisches Verfahren zur Entwicklung radialer Laufrä-
der gelten, das in Kap. 7.14 beschrieben wird. Es kann für alle Pumpentypen jeglicher
spezifischer Drehzahl für beliebige, benutzerdefinierte Randbedingungen verwendet
werden. Jeder Designer erzeugt (innerhalb von Minuten) die exakt gleiche Laufrad-
geometrie für einen gegebenen Satz spezifizierter Daten und Randbedingungen. Ziel
ist dabei, die willkürlichen Elemente aus dem Designprozeß zu eliminieren und so die
Treffsicherheit der hydraulischen Auslegung zu verbessern.
2. Hydraulische Instabilitäten in Pumpen mit doppelflutigen Laufrädern und Doppelspi-
ralen werden in Kap. 5.8 behandelt.
V
VI Vorwort zur dritten Auflage
3. Die Axialkräfte doppelflutiger Laufräder werden durch die Strömungsverteilung am
Laufradaustritt bestimmt. Kap. 9.2.4 liefert Angaben zur Berechnung derartiger Effekte.
Zudem wurden Formeln zur Berechnung komplexer Radseitenräume entwickelt.
4. Kapitel 7.4 wurde mit weiteren Informationen zur Auslegung von Abwasserpumpen
ergänzt. Kapitel 9.3.9 liefert Angaben zum Mechanismus und zur Berechnung der hyd-
raulischen Unwucht von Einkanalrädern.
5. Wesentliche Ergänzungen in Kap. 10 betreffen instationäre Strömungsvorgänge und
deren Einfluß auf die hydraulischen Erregerkräfte, den Mechanismus für die Axial-
schubumkehr bei doppelflutigen Laufrädern und interessante Schadensfälle. Zudem
wird der Einfluß stehender Wellen auf die Strömung durch das Laufrad besprochen.
6. Kavitationsschäden in Leiträdern und Spiralgehäusen werden in Kap. 6.8 behandelt.
7. In den Kap. 4 und 13 werden neue Einsichten und Ergebnisse zu den hydraulischen
Verlusten – auch beim Pumpen hochviskoser Flüssigkeiten – erläutert.
8. Angefügt wurde ein Kap. 16 über Versuche an Kreiselpumpen.
9. Kleinere Ergänzungen wurden in allen Kapiteln vorgenommen.
Die dritte englische und die vierte deutsche Auflage sind inhaltlich weitgehend gleich, aber
nicht identisch.
Im Juni 2014 J.F. Gülich
Villeneuve (Schweiz)
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage
Carl Pfleiderers Buch „Die Kreiselpumpen“ stellte mit seiner 5. Aufl. den Stand der Strö-
mungstechnik der Kreiselpumpen in den 50er Jahren dar, obwohl einige fundamentale
Aspekte – wie z. B. Radialschub, Druckpulsationen und hydraulische Erregerkräfte – nicht
behandelt wurden. Im deutschen (wie im englischen) Sprachraum fehlte seitdem ein Buch,
das die Forschungsergebnisse zu hydraulischen Problemen des Kreiselpumpenbaus ent-
sprechend dem neuesten Stand der Technik zusammenfaßt.
Im vorliegenden Buch wird versucht, aus der fast unüberblickbaren Fülle von Einzel-
untersuchungen zur Strömungstechnik der Kreiselpumpen den heutigen Stand der Tech-
nik herauszuarbeiten. Die Auswahl des Stoffes und dessen Darstellung orientieren sich
dabei an den Bedürfnissen der Anwendung in der Praxis sowohl des Pumpenbauers als
auch der Anlagenplaner und Pumpenbetreiber. Richtige Anwendung verlangt gründliches
Verständnis der physikalischen Zusammenhänge, deren Darstellung daher entsprechend
viel Raum gewidmet wurde. An die Behandlung der physikalischen Mechanismen schlie-
ßen sich dann jeweils Zusammenstellungen von Regeln, Empfehlungen und Tafeln für die
verschiedenen Berechnungsaufgaben, den Entwurf oder für die Diagnose und Lösung von
Anlagenproblemen.
Im Januar 1999 J.F. Gülich
Winterthur
VII
Danksagung
Der Direktion der Sulzer Pumpen AG, insbesondere Herrn Dr. A. Schachenmann, danke
ich für die Erlaubnis zur Veröffentlichung dieses Werkes, für die Überlassung zahlreicher
Schnittzeichnungen und für die großzügige Unterstützung bei der Erstellung der Abbil-
dungen.
Bei der ersten und der zweiten Auflage erhielt ich von zahlreichen Persönlichkeiten
wertvolle Hilfe, für die ich mich herzlich bedanke. Für die kritische Durchsicht von Kap. 14
und viele Hinweise danke ich den Herren Dr. P. Heimgartner, Dipl.-Ing. W. Bolliger, Dipl.-
Ing. W. Schöffler. Von Herrn Schöffler erhielt ich zudem wertvolle Unterlagen und Infor-
mationen (auch für Kap. 10 und 15), die mir ohne seine bereitwillige Hilfe schwer zugäng-
lich gewesen wären.
Mein besonderer Dank gilt auch Herrn Dr. Ing. G. Scheuerer für viele kritische Hin-
weise zu Kap. 8 und Herrn Dr. Ing. W. Wesche für die Durchsicht mehrerer Kapitel und
für zahlreiche Anmerkungen. Den Herren Dr. P. Dupont, Dipl.-Ing. G. Caviola, T. Felix,
A. Frei, E. Kläui, W. Lienau, W. Handloser und J.H. Timcke danke ich für die Durchsicht
einzelner Kapitel oder Unterlagen. Insbesondere danke ich auch R. Palgrave für diverse
instruktive Photos von Komponenten mit Abrasionsschäden (Kap. 14.5.6).
Frau H. Kirchmeier danke ich für die Bearbeitung diverser Abbildungen und die kom-
petente Hilfe bei zahlreichen Computerproblemen. Nicht zuletzt danke ich meiner Frau
für die überaus sorgfältige Kontrolle der Druckvorlagen und die Hilfe bei Übersetzungen.
Für die freundliche Genehmigung zur Verwendung von Abbildungen danke ich:
• Sulzer Pumpen AG, Winterthur
• Mr. T. McCloskey, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA, USA
• VDMA, Frankfurt
• VDI-Verlag, Düsseldorf
• Mr. J. Falcimaigne, Institut Français du Pétrole, Paris
• ASME New York
Die entsprechende Quellenangabe befindet sich jeweils im Text oder in der Bildlegende.
Für die Erlaubnis zur Verwendung von Abbildungen und für bereitgestellte Literatur
danke ich im weiteren den Herren Prof. Dr.-Ing. F. Avellan, Dr. M. Farhat, Dr. O. Braun,
IX
X Danksagung
Dr. S. Berten (Ecole Polytechnique Lausanne); Prof. Dr.-Ing. D.H. Hellmann, Prof. Dr.
Ing. M. Böhle und H. Roclawski (TU Kaiserslautern); Prof. Dr.-Ing. G. Kosyna, Prof. Dr.-
Ing. habil. U. Stark, Frau Dr.-Ing. I. Goltz, Frau P. Perez, Dr. Ing. H. Saathoff (TU Braun-
schweig); C.H. van den Berg (MTI Holland); Prof. Dr.-Ing. H. Wurm, A. Töws (Wilo SE
Dortmund); Dr. P. Dupont, R. Palgrave (Sulzer); U. Diekmann (Wilo-Emu), A. Nicklas
(Sterling Fluid Systems), T. Folsche (CP Pumpen AG), H. Bugdayci (IHC Merwede).
Formelzeichen und Definitionen. Zum
Gebrauch des Buches
Leider gibt es im Pumpenbau keine allgemein akzeptierte und genügend umfassende
Norm für Symbole und technische Begriffe. Soweit möglich, wurde aber DIN 24260 (Aus-
gabe 1986) verwendet. Im Symbolverzeichnis wird jeweils angegeben, in welcher Glei-
chung oder in welchem Kapitel der entsprechende Begriff eingeführt wurde.
Formeln, Tafeln, Tabellen, Abbildungen und Literaturzitate werden kapitelweise nume-
riert. Die geometrischen Abmessungen von Laufrädern und Leitapparaten (sowie einige
Meßstellen) werden in Tafel 0.2 veranschaulicht.
In der Praxis häufig verwendete Formeln werden in Berechnungstafeln zusammenge-
stellt, die den gesamten Rechengang deutlich machen. Diese Tafeln erleichtern auch die
Programmierung der Berechnungen. Die in Berechnungstafeln aufgeführten Gleichungen
erhalten den Zusatz „T“, z. B. Gl. (T3.5.8) bezeichnet Gleichung 8 in Tafel 3.5.
Empirische Daten werden in der Literatur häufig in Form von Diagrammen dargestellt.
In den meisten Fällen wurden derartige Angaben zur Verwendung in diesem Buch als
Gleichungen wiedergegeben, wobei – soweit verfügbar – jeweils verschiedene Quellen he-
rangezogen wurden.
Mathematische Ausdrücke: Zur Vereinfachung wird die obere Grenze von Summen
nicht angeschrieben, wenn kein Zweifel über den Summanden aufkommen kann, zum
Beispiel: ∑stPRRsteht für 1i1zstPRR,i und bedeutet die Summe der Radreibungsverluste
aller Stufen einer mehrstufigen Pumpe.
Eine Gleichung in der Form y = a × exp(b) steht für y = a × eb, wobei „e“ die Basis des
natürlichen Logarithmus bedeutet.
Das Symbol ~ wird für „proportional zu“ verwendet; zum Beispiel bedeutet der Aus-
druck P  ~ d 5 „der Radreibungsverlust ist proportional zur 5. Potenz des Laufraddurch-
RR 2
messers“.
Die spezifische Drehzahl n wird stets berechnet mit n in min-1, Q in m3/s und H in m.
q
Die spezifische Drehzahl wird wie eine dimensionslose Größe behandelt. Viele Graphiken
wurden mit MS-Excel erstellt. Dabei steht z. B. 1E + 03 für 103.
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