Zentrifugalpumpe


Zentrifugalpumpe
Kreiselpumpe mit radialem Austritt

Eine Kreiselpumpe ist eine Strömungsmaschine zur Förderung von Flüssigkeiten mittels eines stetig rotierenden Laufrads. Flüssigkeit, welche über das Saugrohr in die Kreiselpumpe eintritt, wird vom rotierenden Pumpenrad mitgerissen und zunächst auf einer Kreisbahn nach außen gezwungen. Die dabei aufgenommene Bewegungsenergie der Flüssigkeit wird im Ablaufbereich des Pumpengehäuses in Druckenergie umgewandelt und die Flüssigkeit so in das Druckrohr gepresst. Bei Pumpen mit radialem Austritt ist dazu das Pumpengehäuse so ausgeführt, dass es unmittelbar hinter dem Druckrohr eng am Pumpenrad anliegt. Zum Druckrohr hin erweitert es sich dann bis auf den Durchmesser des Druckrohres.

Folgende Pumpentypen sind Kreiselpumpen:

Die Fachgemeinschaft Pumpen und Verdichter im VDMA verzeichnet über 400 verschiedene Pumpenkonstruktionen. Die meisten Pumpen sind Kreiselpumpen.

Inhaltsverzeichnis

Funktionsprinzip

Ein Beispiel erläutert das Prinzip: Rührt man mit einem Löffel in einem mit Wasser gefüllten Glas, so sinkt der Druck im Zentrum und die Flüssigkeit steigt am Rand des Glases durch den dort herrschenden höheren Druck nach oben. Je schneller man rührt, desto höher steigt die Flüssigkeit. Hätte das Glas eine seitliche Bohrung oder einen Überlauf oberhalb des ursprünglichen Pegels, dann würde dort Wasser ausfließen. Insofern kann man den Löffel mit dem Laufrad vergleichen.

Die zu fördernde Flüssigkeit kann bei den Kreiselpumpen entweder hauptsächlich quer zur Achse des Antriebs bewegt werden (radiale Strömung) oder in Richtung der Achse (axiale Strömung, beispielsweise bei den Propellerpumpen). Bei entsprechender Gestaltung von Laufrad und Gehäuse können auch mit Feststoffen vermischte Flüssigkeiten (z. B. Abwasser) gefördert werden. Eine Maßzahl der zulässigen Feststoffgröße ist der so genannte Kugeldurchgang, angegeben als maximaler Durchmesser der Kugel, die die Pumpe passieren könnte.

Eigenschaften

Kennlinie einer Kreiselpumpe und eines Rohres in einer offenen Anlage
Kennlinie einer Kreiselpumpe und eines Rohres in einer geschlossenen Anlage

Folgende Parameter definieren eine Pumpe:

  • Fördermenge Q [m³/s]
  • Förderhöhe H [m]
  • Kupplungsleistung P [W]
  • Wirkungsgrad
  • Net positive suction head NPSH am Eintritt
  • Drehzahl n [1/min]

Die Kennlinie einer Kreiselpumpe beschreibt den Zusammenhang zwischen Druckerhöhung und Fördermenge (siehe Grafik rechts, blaue Kurve). Der größte Druck wird normalerweise bei Menge Null erzeugt. Praktisch bedeutet das, dass die Pumpe gegen einen geschlossenen Schieber fördert. Durch Erweiterung des Rohrquerschnitts kann die erhöhte Geschwindigkeit (v) proportional in Druck (p) umgewandelt werden (p1*v1=p2*v2) (Bernoulli). Diese Arbeitsweise nennt man hydrodynamisches Förderprinzip. Kombiniert mit der Kennlinie des angeschlossenen Rohrnetzes ergibt sich der Arbeitspunkt als Schnittpunkt von Pumpen- und Rohrnetzkennlinie. Durch Hintereinanderschaltung mehrerer Kreiselpumpen erhöht sich der Förderdruck, durch Parallelschaltung die erzielbare Fördermenge. Drehzahländerungen der Pumpen verändern sowohl die Fördermenge als auch den Druck und damit die Leistungsaufnahme (effizienteste Regelungsart). Affinitätsgesetze: Q~n; H~n²; P~n³.

Saugverhalten

Standard-Kreiselpumpen sind normalsaugend, d.h. Pumpe und Saugleitung müssen stets mit Medium gefüllt sein. Gerät während des Betriebs mehr Luft als die kritische Menge (Radialkreiselpumpe 8-10 Vol.%) in die Saugleitung, bricht die Förderung in der Regel zusammen. Es gibt besondere Konstruktionen wie Zellenspülpumpen oder Jetpumpen, die, wenn sie gefüllt sind, die Saugleitung selbständig entlüften können. Eine besondere Kreiselpumpe ist die Seitenkanalpumpe, eine selbstansaugende Kreiselpumpe, die bis zu 100 Vol% Gasanteil fördern kann, solange ein Rest Fluid in der Maschine verbleibt, der einen Flüssigkeitsring bildet.

Kavitation

Das Hauptproblem einer Kreiselpumpe ist die Kavitation. Diese kann zu erheblichen Leistungseinbußen, aber auch zur Zerstörung der Pumpe führen. Es ist schwierig, eine Pumpe auszulegen, in der keine Kavitation auftritt. Meist wird deshalb ein Kompromiss zwischen Leistung und auftretenden Blasen gesucht. Wichtiger Indikator für die Kavitation ist der NPSH-Wert.

Bauarten

Die Einteilung der Kreiselpumpen erfolgt nach der Form der Laufräder, Stufenzahl, Gehäuseaufbau, Antrieb oder auch Fördermedium. Da es für jede Pumpenkomponente verschiedene Bauformen gibt, ergibt sich eine Vielzahl von möglichen Kombinationen und daher eine große Vielfalt an Kreiselpumpen.

Laufrad

Das wichtigste Bauteil einer Pumpe ist das Laufrad, dass die mechanische Energie als Impuls an das Fluid übergibt. Dabei unterscheidet man als mögliche Bauform die Laufradform, welche aussagt, wie die Strömung aus dem Laufrad austritt. Man unterscheidet radiale, halbaxiale und axiale Laufräder, wobei letztere auch Propellerpumpen genannt werden. Sonderformen sind Radialräder mit axial vorgezogenen Schaufeln und Halbaxialräder mit einstellbaren Schaufeln.

Das zweite Merkmal des Laufrades ist dessen Bauform. Hier werden geschlossene, halboffene und offene Laufräder unterschieden, wobei sich dies auf das Vorhandensein der Deck- und Tragscheibe bezieht. Bei einem geschlossenen Laufrad wird die Laufradschaufel auf beiden Seiten mit je einer Scheibe verbunden. Dies erhöht den hydraulischen Wirkungsgrad und stabilisiert das Rad. Aufgrund dieser Vorteile ist es das meist eingesetzte Laufrad. Allerdings können Luftblasen nur schlecht mitgefördert werden. Diese sammeln sich durch die Fliehkräfte im Zentrum und verstopfen das Laufrad.

Kann ein Laufrad nicht genügend Druck aufbauen, kann man bei radialen und halbaxialen Pumpen mehrere Laufräder hintereinander montieren. Diese Pumpen nennt man mehrstufig. Es ist auch möglich Laufräder doppelflutig zu bauen. Dabei werden ein oder mehrere Laufräder jeweils gespiegelt, was die axial wirkenden Kräfte größtenteils aufhebt.

Einteilung der Kreiselpumpen nach Bauart

Die nachfolgende Tabelle zeigt das Einsatzspektrum der einzelnen Bauformen.

Nq (Spezifische Drehzahl) Laufradtyp Laufradform Max. Förderhöhe Max. Wirkungsgrad
7 - 30 Radialpumpe Radialpumpe mit tiefem nq 800m (bis 1200m) 40 - 88%
50 Radialpumpe Radialpumpe mit mittlerem nq 400m 70 - 92%
100 Radialpumpe Radialpumpe mit hohem nq 60m 60 - 88%
35 Halbaxialpumpe Halbaxialpumpe mit tiefem nq 100m 70 - 90%
160 Halbaxialpumpe Halbaxialpumpe mit hohem nq 20 75 - 90%
160 - 400 Axialpumpe Axialpumpe 2 - 15m 70 - 88%

Die spezifische Drehzahl bezieht sich auf die Förderhöhe von einem Meter und auf das Fördervolumen von einem Kubikmeter pro Sekunde. Laufräder mit hohen Werten werden als schnellläufig bezeichnet. Aus Ähnlichkeitsbetrachtungen folgt:

n_q = n \cdot \frac {Q^{1/2}}  {H^{3/4}}

Die Bezeichnungen radial, halbaxial oder axial entsprechen der Strömungsrichtung beim Austritt des Laufrades. Bei axialen Laufrädern spricht man auch von einem Propeller.

Die radialen oder halbaxialen Laufräder mit Deckscheibe werden als geschlossene Laufräder bezeichnet (in der Tabelle die oberen 5 Beispiele). Ohne Deckscheibe wird von halboffenen Laufrädern gesprochen.

Die Art und die Größe von möglichen Feststoffteilchen sind entscheidend für die Auswahl des Laufrades (Beispiele: Abwasserpumpen, Dickstoffpumpe, Feststofftransport).

Das primitivst mögliche "Laufrad" ist ein einfacher Balken. Das entspricht in etwa dem im Abschnitt "Funktionsprinzip" erwähntem Löffel. Der Wirkungsgrad ist hierbei gering.

Gehäuse

Hauptmerkmale des Gehäuses sind die Formen der Strömungszu- und abführung zum Laufrad. Wichtig für die Funktion der Pumpe ist die Abführung der Strömung vom Laufrad. Dafür gibt es zwei Hauptformen: ein Leitrad mit Diffusor und ein Spiralgehäuse. Diese Strömungskanäle dienen dazu, die kinetische Energie, die das Laufrad der Strömung induziert, in einen statischen Druck umwandelt.

Der konstruktiv nicht vermeidbare umlaufende Spalt zwischen Laufrad und Gehäuse bestimmt im Wesentlichen den Wirkungsgrad.

Wellendichtung

Eingebauter Radial-Wellendichtring nach DIN 3760 (geschnitten).
A: Welle
B: Gehäuse
C: Flüssigkeitsseite (bzw. Druckseite)
D: Luftseite
1: Metallring
2: Dichtlippe
3: Schlauchfeder
4: Staublippe (optional)

Die Welle muss gegen das Gehäuse abgedichtet werden. Die zulässige oder tolerierbare Leckage ist vom Medium abhängig. So ist der technische Aufwand bei giftigen oder korrosiven Medien sehr hoch.

Geschichtlich gesehen ist die Stopfbuchse die älteste Form der Wellenabdichtung. Eine Asbestschnur (heute PTFE) wird um die Welle gewickelt und in eine Kammer eingepresst. Zeigt sich, dass die Leckrate durch Verschleiß anwächst, dann wird der Pressstempel der Stoffbuchse nachgezogen. Ist das nicht mehr möglich, dann wird eine neue Dichtschnur eingelegt.

Seit etwa 1930 kam der Radialwellendichtring hinzu. Eine elastische Lippe berührt die drehende Welle. Damit dies mit ausreichender Pressung geschieht, ist im Innern des Dichtringes eine umlaufende Zugfeder angeordnet. Bei Verschleiß wird der Dichtring ausgetauscht. Heutige Dichtringe sind häufig aus PE oder PTFE.

Danach kam es zur Entwicklung der Gleitringdichtung. Zwei Platten (häufig aus Keramik) werden mit Federn aufeinander gepresst. Eine Platte ist fest mit dem Gehäuse verbunden, die andere dreht sich mit der Welle mit. Keramikplatten sind extrem hart und haben daher kaum Verschleiß. Mit vergleichsweise hohem konstruktiven Aufwand ergibt sich eine wartungsarme Lösung.

Eine weitere (sehr aufwändige) Lösung ist die Labyrinthdichtung.

Im Sonderfall (etwa bei giftigen oder korrosiven Medien) setzt man Sperrflüssigkeiten oder -gase ein. Statt einer Leckageströmung von innen nach außen findet hier eine Strömung des Sperrmediums von außen nach innen statt. Das Sperrmedium muss dabei laufend ergänzt werden.

Antrieb

typische Anordnung von Motor und Kreiselpumpe

Kleinere Kreiselpumpen werden als kompakte Einheiten von Pumpe und Elektromotor mit gemeinsamer Welle angeboten (Dreh- oder Wechselstrom). Mittlere und auch größere Kreiselpumpen werden vom Pumpenlieferantant auf einem genormten Montagerahmen angeboten. Auf diesen Rahmen wird dann vor Ort meist ein (genormter) Drehstromsasynchronmotor zugefügt. Motor- und Pumpenwelle müssen gut fluchten und werden mit einer festen Kupplung verbunden.

In Kraftwerken werden auch Dampfturbinen als Pumpen-Antrieb genutzt. Dies gilt insbesondere für einen Teil der Kühlpumpen in einem Kernkraftwerk. Hier wird unterstellt, dass elektrische Energie im Notfall nicht zur Verfügung steht.

In speziellen Fällen gibt auch andere Antriebe.

Einsatzgebiete

Wegen ihrer einfachen und robusten Bauart sind Kreiselpumpen weit verbreitet. Meistens finden sich Ausführungen als ein- oder mehrstufige Pumpen zur Trockenaufstellung oder als Tauchmotorpumpe, entweder für den mobilen oder stationären Einsatz.

Leistungsspektrum

Kreiselpumpen haben folgendes Leistungsspektrum:

  • Durchflussraten zwischen 0.001 und 60 m³/s
  • Förderhöhen zwischen 1 und 5000 m
  • Drehzahlen von <1000 bis 30000 1/min

Anwendungen

Verwendung finden Kreiselpumpen im Anlagen- und Maschinenbau, zur Wasserversorgung in Wasserwerken und Bewässerungssystemen, zur Entwässerung von Bergwerken und Gruben oder als Heizungs-Umwälzpumpe und in Kühlsystemen. Typische Anwendungen sind Entleerung von Kellern und Garagen bei Überflutung, Bewässerung von Feldern in der Landwirtschaft, Füllen und Leeren von Tanks oder Vorratsbehältern sowie Abpumpen von Schmutzwasser. Des Weiteren finden sie sehr zahlreich und in genormten Ausführungen bei der Feuerwehr Anwendung ("Feuerlöschkreiselpumpe"), insbesondere als tragbare Version mit eigenem Antriebsmotor in den Tragkraftspritzen, und als festeingebaute und vom Fahrzeugmotor angetriebene Ausführung in den Löschfahrzeugen (vgl. Löschgruppenfahrzeug, Tanklöschfahrzeug).

Große Kreiselpumpen werden zudem auch in der Erdölförderung (Wasser-Einspritzung), der Erdölverarbeitung in Raffinierien, im Erdöltransport (Pipelines) und im Wasserbau beim Spülen eingesetzt. Auch in fast allen Arten von Kraftwerken befinden sich Kreiselpumpen zur Aufrechterhaltung des Wasserkreislaufes.

Geschichte

Eine Wasserfördermaschine, die laut dem italienischen Wissenschaftshistoriker Ladislao Reti "als Prototyp der Kreiselpumpe bezeichnet werden muss", ist im Trattato di Architectura des italienischen Künstler-Ingenieurs Francesco di Giorgio Martini (ca. 1475) enthalten.[1]


Literatur

Für Einsteiger:

  • Kreiselpumpen und Kreiselpumpenanlagen, Walter Wagner, 2004 Vogel Verlag

Für Profis:

  • Kreiselpumpen, Johann F. Gülich, 2004 Springer Verlag

Klassiker:

  • Pump Handbook, Igor J. Karassik, 2001 McGraw - Hill Professional

Referenzen

  1. Ladislao Reti, “Francesco di Giorgio Martini's Treatise on Engineering and Its Plagiarists”, Technology and Culture, Bd. 4, Nr. 3 (Sommer, 1963), S. 287-298 (290)

Siehe auch


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