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Galvanische Trennung

Gibt es für die Ladungsträger in einem Stromkreis keinen Weg, aus diesem in einen anderen zu fließen, so sind diese beiden Stromkreise aufgrund der fehlenden elektrisch leitfähigen Verbindung galvanisch voneinander getrennt. Dies wird durch den Einbau von Transformatoren, Optokopplern oder Kondensatoren herbeigeführt. Um dennoch elektrische Leistung oder Signale auszutauschen, erfolgt dies über Magnetfelder, Infrarotstrahlung oder Ladungsverschiebung. 

Ein bekanntes Beispiel für eine galvanische Trennung ist der Transformator mit Speisung aus dem öffentlichen Stromnetz (Netztransformator). 

Gründe für galvanische Trennung 

  • zur Sicherheit als Berührungsschutz 
  • aus messtechnischen Gründen (Potenzialtrennung) 
  • zur Verhinderung von elektromagnetischen Störungen

Garantie

Unter der Garantie wird im Zusammenhang mit dem Abnahmeversuch einer Kreiselpumpe eine Gewährleistung vertraglich vereinbarter physikalischer Größen und technischer Eigenschaften der Pumpe verstanden (siehe auch Gewährleistungstoleranz). 

In der Abnahmeregel DIN EN ISO 9906 und des Hydraulic Institute (HI) wird der Begriff Garantie im technischen Sinne verwendet. Danach sind die vertraglich festgelegten Werte die Grundlage für die Nachprüfung im Abnahmeversuch. Die Festlegung der dabei zu garantierenden Größen und Eigenschaften richtet sich nach der Ausführung und dem Verwendungszweck der Kreiselpumpe. 

Zum Erfüllen der Garantie müssen die im Kaufvertrag garantierten Kennwerte der Pumpe beim Abnahmeversuch innerhalb der Toleranzbereiche der Messergebnisse liegen, wie sie in der DIN EN ISO 9906 oder HI festgelegt sind. Die dort angegebenen Toleranzfaktoren enthalten sowohl Messunsicherheiten als auch Bautoleranzen. 

Jede genaue Garantieprüfung ist mit Kosten verbunden, die immer im wirtschaftlich vertretbaren Verhältnis zum Anschaffungspreis der Pumpe stehen sollten. Es wird grundsätzlich auch nicht festgelegt, welche Rechte und Pflichten entstehen, wenn festgelegte Werte nicht erreicht werden. Bei einer Neufassung der DIN EN ISO 9906 ist eine Annäherung mit der HI-Norm zur Harmonisierung wesentlicher Abnahmeregeln bei weltweiter Anwendung geplant.

Gasabscheidung

Die Gasabscheidung beschreibt die Ausscheidung eines Gases aus dem Fördermedium aufgrund von Druckänderungen. Die Löslichkeit von Luft in Wasser ist bspw. von dessen Temperatur und Druck abhängig (siehe Gasgehalt im Fördermedium). Da mit abnehmendem Druck und zunehmender Temperatur die Löslichkeit geringer wird, scheidet sich Luft in den Saugleitungen von Pumpen oder in Heberleitungen aus (siehe Luftsackbildung). siehe Abb. 1 Gasabscheidung

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Die ausgeschiedenen Gase sammeln sich am höchsten Punkt der Leitung und müssen von dort abgesaugt werden, um ein Abreißen der Wassersäule zu verhindern. 

Bei Saugleitungen ist im Mittel bezogen auf den Ansaugezustand mit folgendem stündlichem Luft-Absaugevolumen (QsL) zu rechnen:

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Bei Heberleitungen gilt: siehe Abb. 1 Heberleitung

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Wenn der Scheitel in der Nähe des Sammelbrunnens liegt, gilt: 

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Das abgeschiedene Gasvolumen wird durch eine automatisch arbeitende Evakuierungsanlage (siehe Entlüftung) abgesaugt. Stark gasende Medien wie Abwasser scheiden auch im Unterdruckgebiet des Laufrades noch Gas aus, was die Förderfähigkeit nachteilig beeinflusst. Offene Laufräder mit großer Spaltweite oder Freistromräder (siehe Freistrompumpe) haben sich hier am besten bewährt, um eine Entmischung des Gases und seine Beseitigung aus dem Pumpengehäuse zu gewährleisten.

Bei Anwendungen in der Nahrungsmittel-, Papier- und Zellstoffindustrie muss das Gas aus dem Fördermedium mittransportiert werden. Aus diesem Grund sollte eine Pumpe so konstruiert sein, dass Gasabscheidung und erforderlicher Flüssigkeitstransport gleichzeitig erfolgen können.
siehe Abb. 2 Gasabscheidung

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Die eingebaute Vorrichtung scheidet das Gas ab, welches sich am Laufradeintritt angesammelt hat und drückt es zum Laufradaustritt. Von dort wird es durch eine getrennte Leitung abgeführt. Diese Vorrichtung ermöglicht eine effiziente Förderung von Medien mit einem Gasgehalt von bis zu 60 %.
siehe Abb. 3 Gasabscheidung

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Gasgehalt im Fördermedium

Nur in den wenigsten Fällen liegt eine reine Flüssigkeit als Fördermedium vor (siehe auch Gasabscheidung). Als Beimengungen kommen sowohl feste als auch gasförmige Stoffe in Frage (siehe Zweiphasenströmung). Dabei liegen Gase entweder in gelöster oder ungelöster Form vor. Im gelösten Zustand ist das Gas molekular verteilt und aufgrund der physikalischen Kräfte an die Flüssigkeitsmoleküle angelagert; im ungelösten Zustand liegt das Gas in Form von Blasen vor. Während der Gehalt an gelöstem Gas einer bestimmten Sorte (bis auf instabile Übersättigungszustände) meist einen von der Art und vom Zustand der Flüssigkeit fest definierten oberen Grenzwert nicht überschreitet, ist der Gehalt an ungelöstem Gas nahezu unbegrenzt. Dieser hängt vornehmlich von der Art der Bewegung ab, die in der Flüssigkeit herrscht. So tritt bei ruhender Flüssigkeit meist eine rasche Entgasung ein (z. B. durch Aufsteigen der Blasen an die Oberfläche), während der Gehalt an gelöstem Gas sich seinem Maximalwert nähert. 

Zur Bestimmung des Gasgehalts dient bspw. ein Messgerät nach VAN SLYKE. Mit diesem wird mithilfe eines Vakuums das gelöste Gas freigesetzt und dessen Volumen dann gemessen. Gelöste Gase in Flüssigkeiten wirken sich auf das Saugverhalten von Kreiselpumpen aus, indem der hohe Gasgehalt zu einer Vergrößerung des erforderlichen NPSH-Wertes und damit zum früheren Eintritt von Kavitation führt.
siehe Abb. 1 Gasgehalt im Fördermedium

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Nichtgelöstes, blasenförmiges Gas beeinflusst das gesamte Betriebsverhalten, wobei je nach Bauart, Betriebsweise und Größe der Pumpe das Ausmaß der Mitförderbarkeit in weiten Grenzen variiert. Abb. 2 Gasgehalt im Fördermedium zeigt für eine Kanalradpumpe (Laufrad) die Veränderung der Kennlinie H(Q), η(Q) in Abhängigkeit vom Prozentsatz der mitgeführten Luft.

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Geber

Geber dienen in der Automation zur Vorgabe von Werten (z.B. Strom) zur Simulation eines Sensors oder zur Vorgabe eines Sollwertes.

Gebäudeautomation

Mit dem Begriff der Gebäudeautomation wird die Gesamtheit rechnerbasierter Steuerungen, Beobachtungen und Überwachungen aller für den Betrieb relevanten Funktionen in Gebäuden bezeichnet. Ziel ist die Automatisierung von Funktionsabläufen und das Vereinfachen von Überwachung und Bedienung durch Vernetzung aller Einheiten.

Gegenläufige Pumpe

Bei einer gegenläufigen Pumpe sind mehrere Laufräder auf der gemeinsamen Pumpenwelle spiegelbildlich angeordnet. Dadurch kann der beim Betrieb einer Kreiselpumpe auftretende Axialschub auch ohne eine zusätzliche Vorrichtung zum Axialschubausgleich (siehe Entlastungseinrichtung) wirkungsvoll ausgeglichen werden. Die axiale Zuströmung zu den Laufrädern ist dann paar- oder gruppenweise entgegengesetzt (gegenläufig). Diese Bauweise bietet sich bei mehrströmigen Pumpen wie bei Kreiselpumpen mit zweiströmigem Laufrad an und ist auch bei mehrstufigen Pumpen wie der Pipeline- oder Kesselspeisepumpe möglich. siehe Abb. 1 Gegenläufige Pumpe

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Aufgrund der erforderlichen Umführungskanäle setzt diese Bauweise ein Pumpengehäuse mit Längsteilung voraus. Diese Gehäuseart wird sehr lang und verhältnismäßig teuer, sodass der Einsatz von gegenläufigen Pumpen mit mehr als einem Laufradpaar nur bei Betriebsverhältnissen angebracht ist, bei denen die Kosten bei etwaigem Betriebsausfall oder Folgeschäden (z. B. Ausfall einer Entlastungseinrichtung) diesen Aufwand rechtfertigen.
siehe Abb. 2 Gegenläufige Pumpe

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Geodätische Saughöhe

Die geodätische Saughöhe (Hs.geo) ist die Differenz zwischen der Höhe des saugseitigen Flüssigkeitsspiegels und der Mitte des Laufrads. Unter Idealbedingungen beträgt die maximale geodätische Saughöhe abhängig vom Luftdruck, der Wassertemperatur und Höhe des Standorts (gemessen in Meter von Normalnull) theoretisch 10,33 m. Gerade bei Kreiselpumpen kommt es aber bereits vor dem Erreichen der maximalen Saughöhe bei ca. 8 m aufgrund von Reibung in der Saugleitung und Dampfbildung zu Kavitation. siehe Abb. 1 NPSH

Geodätische Zulaufhöhe

Die geodätische Zulaufhöhe (Hz.geo) ist die Differenz zwischen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Zulaufbehälter und der Mitte des Laufrads. Durch eine entsprechend gewählte geodätische Zulaufhöhe soll die Gefahr von Kavitation verringert werden. siehe Abb. 1 NPSH

Gerätesicherheitsgesetz

Das Geräte- und Produktsicherheitsgesetz gilt für das Inverkehrbringen und Ausstellen von Produkten, das selbstständig im Rahmen einer wirtschaftlichen Unternehmung erfolgt.

Geräusch bei Pumpen und Anlagen

Die bei Pumpen und Anlagen auftretenden Geräusche werden von den Schwingungen der Rohrleitungen und des Pumpengehäuses hervorgerufen. Diese Schwingungen bewegen die umgebende Luft, deren Folge der hörbare Luftschall ist. 

Die Gründe dafür sind die aus der instationären Strömung resultierenden Druckschwankungen. Sie entstehen bei der Übertragung von Energie über die Laufschaufeln auf das Fördermedium. So treten aufgrund der endlichen Schaufelzahl periodische Druckschwankungen mit mehr oder weniger großen Ausschlägen auf. Da die Strömung gegen steigenden statischen Druck verläuft, sind die Grenzschichten stark ablösegefährdet. Die Schaufelumströmung und Strömungsablösung machen die Strömung in einer Kreiselpumpe instationär. 

Bei einstufigen, aus wenigen einfachen Bauelementen bestehenden Spiralgehäusepumpen sind diese instationären Strömungsvorgänge die wesentlichen Geräuschquellen, abgesehen von denen im Antrieb der Kreiselpumpe. 

Bei mehrstufigen Pumpen mit Entlastungseinrichtungen treten neben den bereits erwähnten Geräuschen noch starke Turbulenzgeräusche (siehe unter Strömungslehre) als Folge der meist großen Stufenförderhöhen auf. Auch beim Entspannen höherer Drücke wie in Entlastungseinrichtungen können erhebliche Geräusche entstehen. 

Die bisher genannten Geräuschursachen gelten für Betriebszustände von Pumpen und Anlagen ohne Kavitation. Mit dem Auftreten von Kavitation in einer Pumpe oder bspw. in einer Armatur ist ein deutlicher Anstieg des Geräuschs verbunden. Das charakteristische Kavitationsgeräusch hört sich bei einsetzender Kavitation meist wie ein hochfrequentes Knistern an und geht bei stärker ausgeprägter Kavitation (d. h. niedrigerem NPSH-Wert) in ein intensives "Prasseln" über. 

Das mit der Kavitation verbundene Geräusch trägt zur gesamten Geräuschemission von Pumpen und Anlagen bei und erhöht den Aufwand für ggf. erforderliche Schallschutzmaßnahmen, kann jedoch auch zur Detektion und bei der Anwendung geeigneter Messsysteme und Analysemethoden zur Gewinnung von Informationen über die Intensität und erosive Aggressivität von Kavitationszuständen dienen. 

Ungünstig auf die Geräuschentwicklung von Kreiselpumpen wirkt sich der Trend zu höheren Drehzahlen aus, wodurch die Maschinenabmessungen weiter schrumpfen und die Energieumsetzung auf kleinerem Raum stattfindet (erhöhte Leistungsdichte). Negativ ist auch die immer bessere Ausnutzung der Werkstoffe, wodurch zwar dünnere Wandstärken, aber auch leichter Schwingungen möglich werden. 

Die Einflüsse der Baukomponenten auf das Gesamtgeräusch des Pumpenaggregates sind komplex und hängen von vielen Einflussfaktoren ab. siehe Abb. 1 Geräusch bei Pumpen und Anlagen

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Eine Abschätzung der verschiedenen Schallleistungspegel kann nach VDI 3749 erfolgen. Hier sind Emissionswerte für unterschiedliche technische Schallquellen festgehalten. Besonders schwierig sind die Vorhersagen der Einflüsse von Fundamenten (siehe Pumpenfundament), Gebäuden (mit starkem Nachhall und langer Nachhallzeit), Rohrleitungen sowie benachbarter Maschinen und Anlagen. 

Für die Messung von Geräuschen gibt es Regelwerke (siehe Geräuschmessung). Statistische Untersuchungen haben ergeben, dass abhängig von der Pumpenbauart bei kavitationsfreiem Betrieb ein Anteil von 10-9 bis 10-6 des Leistungsbedarfes einer Kreiselpumpe in Schallleistung umgesetzt wird. Dabei kommen als Schallarten der Körper-, Luft- und Flüssigkeitsschall in Frage. siehe Abb. 2 Geräusch bei Pumpen und Anlagen

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Schallschutzmaßnahmen 

Die wichtigste aktive Schallschutzmaßnahme ist die richtige Pumpenauswahl. Dies gilt sowohl für die auf den Verwendungszweck abgestimmte Pumpenbauart als auch für die Pumpengröße. Die Kreiselpumpen entwickeln je nach Lage des Betriebspunktes auf ihrer Drosselkurve unterschiedliche Geräuschintensitäten. Pumpen sollten sowohl aus energie- als auch aus schalltechnischen Gründen möglichst im Betriebspunkt des besten Pumpenwirkungsgrades arbeiten. So sind die Geräuschemissionen bei der Betriebsdrehzahl in der Nähe des Bestpunktes meist am geringsten. 

Werden an das Geräuschverhalten von Kreiselpumpen sehr hohe Anforderungen gestellt, so sind Isoliermaßnahmen als passiver Schallschutz unumgänglich. Dazu gehören der Einbau von Kompensatoren in die Rohrleitungen, die Aufstellung der Kreiselpumpe auf Gummi-Metall- oder Federelementen, die Kapselung der Kreiselpumpe oder des Aggregats sowie die Auskleidung mit speziellen schalldämmenden oder dämpfenden Wandelementen von Räumen in denen Pumpenaggregate betrieben werden.


SES System Effizienz Service®

Geräuschmessung

Die Geräuschmessung dient zum Feststellen einer Schallemission von Schallquellen (siehe auch Geräusch bei Pumpen und Anlagen) und wird daher auch als Schallmessung bezeichnet. Bestimmungen zum Messen dieser Geräusche enthalten verschiedene Regelwerke. 

Regelwerke zur Geräuschmessung 

  • DIN EN 12639 (Flüssigkeitspumpen und -pumpenaggregate) 
  • DIN 45635 B1 (Geräuschmessung an Maschinen, Luftschallemission, Hüllflächen-Verfahren) 
  • DIN EN ISO 3744 (Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen aus Schalldruckmessungen (Genauigkeitsklasse 2), Betriebsmessungen, im Wesentlichen freies Schallfeld) 
  • DIN EN ISO 3746 (Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen aus Schalldruckmessungen (Genauigkeitsklasse 3), Übersichtsmethode) 
  • DIN EN ISO 9614-2 (Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen aus Schallintensitätsmessungen; Teil 2: Messung mit kontinuierlicher Abtastung) 

Diese Normen enthalten neben den Definitionen der wichtigsten schalltechnischen Begriffe auch wertvolle Hinweise auf die Messgeräte und -bedingungen, die Durchführung und Auswertung der Schallmessungen sowie die Messunsicherheiten (siehe auch Messtechnik). Sie schaffen damit die Voraussetzungen für die Ermittlung der von den Kreiselpumpen unmittelbar an die umgebende Luft abgestrahlten Geräusche nach einheitlichen Verfahren, sodass deren Ergebnisse vergleichbar sind. Die so ermittelten Werte sind u. a. für den Vergleich ähnlicher und verschiedener Maschinen, für das Abschätzen der Geräuschemission (siehe Immissionsschutzgesetz) und für die Planung von Schallschutzmaßnahmen geeignet.

Gesamtdruck

Der Gesamtdruck ptot ist die Summe aller wirkenden Drücke in einem Bezugssystem. Innerhalb eines Fluids längs eines Stromfadens in reibungsfreier Strömung sind dies nach BERNOULLI (siehe Strömungslehre) der statische Druck p, der dynamische Druck pdyn und der geodätische Anteil (ρ•g•z).

Gesamttoleranz

Die Gesamttoleranz ist die aus Bautoleranz und Messunsicherheit gebildete Toleranz bei Messungen zum Nachweis einer Garantie. In der Abnahmeregel DIN EN ISO 9906 werden zur vereinfachten Anwendung der bei einem Abnahmeversuch immer gemeinsam auftretenden Bautoleranz und Messunsicherheit für die einzelnen Betriebskenngrößen Toleranzfaktoren eingeführt. Diese Toleranzfaktoren für Förderstrom (± tQ), Förderhöhe der Pumpe (± tH) und Pumpenwirkungsgrad (± t) sind auf den Garantiepunkt anzuwenden. siehe Abb. 1 Gesamttoleranz

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Die Garantie für Förderhöhe und -strom ist erfüllt, wenn die aus Messungen ermittelte QH-Linie den vertikalen und horizontalen Balken des Toleranzkreuzes schneidet oder zumindest berührt. 
siehe Abb. 2 Gesamttoleranz

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Der Wirkungsgrad wird aus dem Schnittpunkt der gemessenen QH-Linie mit der durch den vereinbarten Betriebspunkt QG, HG und den Nullpunkt der QH-Achse verlaufenden Gerade sowie aus dem Schnittpunkt einer Vertikalen mit der aus Messungen ermittelten η(Q)-Linie abgeleitet. Die Erfüllung der Garantiebedingung für den Wirkungsgrad liegt innerhalb der Toleranzgrenzen, wenn der Wert desselben an diesem Schnittpunkt größer oder zumindest gleich dem Wert für ηG•(1- tη) ist. 

In der neuen Revision der DIN EN ISO 9906 werden die Klassen zur Beurteilung einer Pumpenmessung und der Messergebnisse von 2 auf 5 erweitert. Dabei ergeben sich auch Änderungen in der jeweiligen Gesamttoleranz. siehe Abb. 3 Gesamttoleranz

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Entsprechend dieser erweiterten Klasseneinteilung gibt es Diagramme, die beispielhaft die Bedingungen für die Erfüllung der Garantie zeigen. siehe Abb. 4 Gesamttoleranz

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Geschwindigkeitsdreieck

Das Geschwindigkeitsdreieck ist die geometrische Darstellung der kinematischen Bewegung über Vektoren. Der Vektor ist eine gerichtete Größe. Dieser Zusammenhang wird im Parallelogramm der Geschwindigkeiten eines Flüssigkeitsteilchens dargestellt. siehe Abb. 1 Geschwindigkeitsdreieck

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Aus der Darstellung der Beziehungen in Form des Geschwindigkeitsdreiecks, das oft auch als Geschwindigkeitsplan bezeichnet wird (nicht zu verwechseln mit Kräfte- oder Schaufelplan), gehen auch die Strömungswinkel hervor. siehe Abb. 2 Geschwindigkeitsdreieck

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Strömungswinkel im Geschwindigkeitsdreieck 

  • Winkel α zwischen v und positiver u-Richtung ("Absolutwinkel") 
  • Winkel β  zwischen w und negativer u-Richtung ("Relativwinkel") 

Die Lage eines Geschwindigkeitsdreiecks gegenüber einem anderen sagt nichts darüber aus, ob die dort gekennzeichneten Strömungsgeschwindigkeiten auch in der wirklichen Strömung dieselben zueinander bezogenen Lagen einnehmen. siehe Abb. 3 und 4 Geschwindigkeitsdreieck

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Die Absolutgeschwindigkeit eines Flüssigkeitsteilchens kann in eine Axial-, Radial- und Umfangskomponente aufgeteilt werden. siehe Abb. 5 Geschwindigkeitsdreieck

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Getriebepumpe

Eine Getriebepumpe ist eine Kreiselpumpe mit ein- oder angebautem Zahnradgetriebe zwischen Pumpenwelle und Antrieb. Eine spezielle Bauform ist die Getriebehochdruckpumpe, die als Hochgeschwindigkeitspumpe zur Erzeugung großer Förderhöhen (bis 1.000 m) bei kleinen Förderströmen und gutem Wirkungsgrad eingesetzt wird. Die für Kreiselpumpen ungewöhnlich hohe Drehzahl von ca. 15.000 min-1 erfordert beim Einsatz normaler Elektromotoren mit 2- oder 4-poliger Ausführung ein Übersetzungsgetriebe. Eine solche Pumpe besitzt ein Pumpengehäuse (Inline-Ausführung), offenes Laufrad mit radialen Schaufeln und Vorsatzläufer, zwei Gleitringdichtungen zur Abdichtung des Fördermediums und Getriebeöls sowie ein radiales und axiales Führungslager für die Sonnenwelle (Mittenwelle) des weiter oben angeordneten Übersetzungsgetriebes (Leistungsverzweigungsgetriebe). 

Der auf dem Getriebegehäuse fest angeflanschte Motor trägt auf seinem Wellenende eine Kupplung, die mit dem Ringrad verzahnt ist und seinerseits die Planetenräder des Zahnradgetriebes antreibt. Für ein verschleißarmes Getriebe sind Fertigungsqualität, Schmierung der Lager und Zahnräder sowie die richtige Pflege des Schmiermittels zur Kühlung und Reinigung wichtig. siehe Abb. 1 Getriebepumpe

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Die einstufige Prozessbauweise, bei der das gesamte Laufzeug nach oben herausziehbar ist, ermöglicht bei notwendigen Montagen kurze Betriebsausfallzeiten. 

Die Inline-Bauart (siehe Inlinepumpe) erfordert nur kleinste Fundamente und bereitet keine Schwierigkeiten bei der Aufstellung. Die Getriebeabstufungen ermöglichen aufgrund des Baukastensystems genügend kleine Drehzahlsprünge. Einer Ausführung des Gehäuses sind meist mehrere Laufraddurchmesser mit zugehöriger Ausführung eines Diffusors zugeordnet. Die Variationsmöglichkeiten wie Veränderung von Eingangsdrehzahl, Getriebeverhältnis, Vorsatzläufer, Diffusorgröße, Laufradgröße und dessen Abdrehdurchmesser ermöglichen es bei den Getriebehochdruckpumpen, jeden benötigten Betriebspunkt im Kennfeld in Abhängigkeit von den saugseitigen Zulaufverhältnissen wirtschaftlich zu erreichen.

Gewichtskraft

Auf einen Körper mit der Masse (m) wirkt unter der Einwirkung einer Fallbeschleunigung (g) eine Gewichtskraft (FG). Es gilt

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Die Einheit der Gewichtskraft ist Newton (N). Die Gewichtskraft einer Masse ist wie die Fallbeschleunigung ortsabhängig. Der Ausdruck Gewicht steht für die entsprechende Masse (m), deren Einheit das Kilogramm (kg) ist.

Gleichgewicht

Bei der Gleichgewichtsbedingung in einer Strömung sind die Zustandsgrößen über eine bestimmte Zeit hinweg konstant. Das Gleichgewicht beschreibt den Zustand eines Systems, bei dem sich Zustandsgrößen über eine bestimmte Zeit hinweg nicht wesentlich verändern. Das Gleichgewicht beschreibt in der Regel das "Kräftegleichgewicht".

Gleichstrom

Der Gleichstrom wird international mit DC (engl. "direct current") abgekürzt und bezeichnet in der theoretischen Elektrotechnik einen elektrischen Strom mit konstanter Stärke und Richtung. Wenn die Schwankungen des Stroms den an die Stromquelle angeschlossenen Verbraucher nicht stören, wird in der Praxis auch Mischstrom mit überwiegendem Gleichanteil als Gleichstrom benannt.
siehe Abb. 1 Gleichstrom

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Gleichstrommotor

Der Gleichstrommotor ist ein Elektromotor, der mit Gleichstrom betrieben wird und aus einem Stator und einem Rotor besteht. Die meisten Gleichstrommotoren werden als Innenläufer ausgeführt. 

Bei konventionellen Gleichstrommotoren bestimmen die Ankerwicklung und damit die Windungszahl und Anzahl der Pole sowie die Feldstärke der Feldwicklung das allgemeine Motorverhalten.

Gleitlager

Das Gleitlager ist ein im Kreiselpumpenbau häufig verwendetes Element, bei dem ein bewegtes in einem feststehenden Teil gleitet. Es wird zwischen dem Radial-Gleitlager für Radialkräfte (Querkräfte) und Axial-Gleitlager für Axialkräfte (Längskräfte) unterschieden. siehe Abb. 1 Gleitlager

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Radial-Gleitlager 

Beim Radial-Gleitlager ist der bewegte Teil der Zapfen der Achse oder Welle; der feststehende Teil die Lagerschale. 

Lagerschale und verschiedene Varianten 

  • a zylindrische Lagerschale siehe Abb. 2a Gleitlager
  • b Zweiflächenlagerschale mit Zitronenspiel siehe Abb. 2b Gleitlager
  • c Zweiflächenlagerschale mit radialer Versetzung siehe Abb. 2c Gleitlager
  • d Dreiflächenlagerschale siehe Abb. 2d Gleitlager
  • e Drei- und Mehrflächenlagerschale mit Schmiernuten oder -taschen siehe Abb. 2e Gleitlager
  • f Gummilager siehe Abb. 2f Gleitlager
  • g Mehrflächenlager mit kippbaren Radialsegmenten siehe Abb. 2g Gleitlager

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Die hier angedeutete Vielfalt der möglichen Lagerformvarianten hängt mit der Beherrschung des dynamischen Betriebsverhaltens von Kreiselpumpenrotoren zusammen. Das Schwingungsverhalten gleitgelagerter Rotoren wird im Wesentlichen von der Masse des Rotors, der Massenverteilung, der Biegefestigkeit der Welle sowie von den Federungs- und Dämpfungseigenschaften der Lagerung unter gegebenem Lastfall bestimmt. Durch eine geeignete Gestaltung der Rotorlagerung können beide Arten von Querschwingungen (zwangs- und selbsterregte Schwingung) des Rotors entweder ganz verhindert oder auf einen für den mechanischen Lauf der Maschine zulässigen Wert begrenzt und damit die dynamischen Lagerkennwerte optimiert werden. Die Wahl der Lagerform stellt einen wesentlichen Bestandteil dieser Optimierung dar, weil unterschiedliche Lagerformarten auch unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. 

Durch geeignete Fertigungsmaße der bewegten und feststehenden Funktionsteile und deren gegenseitige Einstellung entsteht ein Lagerspiel, das meist mit einem flüssigen oder konsistenten (fettartigen) Schmierstoff zur Vermeidung von gleitender Reibung versorgt wird. Durch dieses Lagerspiel kann sich in dem vorhandenen Raum bei genügender Umfangsgeschwindigkeit des Lagerzapfens ein tragender Schmierkeil aus dem Schmierstoff formen. Der Schmierkeil trennt die aufeinander gleitenden Teile, sodass das Lager mit Vollschmierung arbeitet. Dieser Vorgang ist typisch für die hydrodynamischen Gleitlager. 

Vor- und Nachteile der hydrodynamischen Gleitlager 
Vorteile:

  • einfache Fertigung, um Schmiermittel im Betrieb dem Lager drucklos oder mit nur geringem Vordruck zuzuführen 
  • kein oder nur geringer Energieaufwand ist für die Ölversorgungsanlage aufzubringen 

Nachteile: 

  • beim An- und Auslauf der Maschine ist keine reine Flüssigkeitsreibung vorhanden, was einen Verschleiß an den Laufflächen zur Folge hat (Mischreibung) siehe Abb. 4 Gleitlager

Eine andere Bauart ist das hydrostatische Gleitlager. Hier wird der flüssige Schmierstoff unter hohem Druck den einzelnen Druckkammern der Lauffläche zugeführt. 

Lagerkraftaufnahme aufgrund von Druckunterschieden: 

  • hoher statischer Druck in den Kammern an der belasteten Laufflächenseite (kleines Betriebslagerspiel mit geringer Abnahme des Druckes in der Schmierschicht) 
  • geringer statischer Druck in den Kammern an der entlasteten Laufflächenseite (großes Betriebslagerspiel mit großer Abnahme des Druckes in der Schmierschicht) 

Vor- und Nachteile der hydrostatischen Gleitlager: 

  • Vorteil: immer reine Flüssigkeitsreibung auch beim An- und Auslaufen vorhanden, wodurch keine Verschleißgefahr besteht 
  • Vorteil: gegenüber hydrodynamischen Lagern bei gleicher Tragkraft geringere Abmessungen und geringere Reibleistung 
  • Nachteil: aufgrund mehrerer Fertigungsvorgänge sind sie teurer in der Fertigung als hydrodynamische Gleitlager 
  • Nachteil: sie sind teurer im Betrieb, da eine Druckerhöhungsanlage für die Schmierflüssigkeit erforderlich ist und auch die Investitions- und Energiekosten erhöht werden

Die hydrodynamische und -statische Bauart lassen sich kombinieren. So kann durch eine hydrostatische Zusatzschmierung mit hohem Schmiermitteldruck bei Gleitlagern im hydrodynamischen Betrieb die Anfahr- und Auslaufreibung in nicht nach außen durchzogenen Längsnuten vermindert und der Verschleiß vermieden werden. Im normalen Betrieb werden die Zuleitungen geschlossen, damit der hydrodynamische Druck im Schmierspalt erhalten bleibt. 

Reibungszustände eines Gleitlagers
siehe Abb. 3 Gleitlager


a. Trockenreibung:
    ohne Trennschicht des Schmiermittels zwischen bewegtem und feststehendem Körper 

b. Mischreibung:
    teilweise Trocken- und Flüssigkeitsreibung 

c. Flüssigkeitsreibung:
    mit einer Trennschicht des Schmiermittels (Optimalzustand) 

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Dieses Reibungsverhalten wurde von STRIBECK durch Versuche geklärt, siehe Abb. 4 Gleitlager. Beim Auslauf der Maschine ergibt sich für das Gleitlager die Umkehrung des Anlaufvorganges. Ein Gleitlager sollte meist im Bereich der Flüssigkeitsreibung seinen normalen Betriebspunkt haben. Soweit im Dauerbetrieb eine Mischreibung herrscht, ist mit Verschleiß an den Gleitflächen zu rechnen. Die Wahl der Materialpaarung spielt bzgl. des Verschleißes und der Wärmeabfuhr bei den Laufflächen eine wesentliche Rolle. 

Viele Pumpen sind mit fördermediumgeschmierten Wellenführungslagern ausgerüstet. In diesen Fällen muss die Materialwahl besonders sorgfältig vorgenommen werden, da hier oft spezielle Eigenschaften des Schmiermittels zu berücksichtigen sind. So gibt es für reines Wasser als Schmiermittel mehrere Lagerwerkstoffe mit guten tribologischen Eigenschaften. Dazu gehören bspw. metallische Legierungen, Elastomere, Hartgummi, elektrographitierte Kohle mit und ohne Kunstharztränkung sowie Hartkohle mit Kunstharz- oder Antimontränkung. Ist ein Fördermedium als Lagerschmierstoff verschmutzt oder enthält es feste Beimengungen wie bspw. Sand, so ist der Einsatz von Hartmetallen oder keramischen Werkstoffen (z. B. Siliziumkarbid) als Lagerwerkstoff zu empfehlen. So bilden die Lagerbuchsen und Wellenschutzhülsen gleichen Werkstoffes ein wartungsfreies Gleitlager. Um die Zug- und Bruchempfindlichkeit zu minimieren, werden vermehrt faserverstärkte Keramiklager eingesetzt. siehe Abb. 6 Gleitlager

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Die Reibungsleistung setzt sich in Wärme um, die teilweise vom Lagergehäuse an die umgebende Luft oder von der Welle abgeführt wird. Dabei darf das Gleitlager die höchste Lagerbetriebstemperatur nicht überschreiten. Im Bedarfsfall muss ein Kühlsystem für das Lager oder Schmierstoff (meist Wasserkühlung) vorgesehen werden. 

 Die Auslegung von hydrodynamischen Gleitlagern stellt die Lösung einer komplexen Aufgabe dar, bei der Geometrie und Größe des Lagers, Lagerlast, Viskosität des Schmierstoffes, Gleitgeschwindigkeit und Art der Strömung im Lager (siehe Strömungslehre) sowie deren gegenseitige Beeinflussungen eingehen. 

Ziel einer Gleitlagerauslegung ist es, möglichst sicher eine reine Flüssigkeitsreibung beim Betrieb entstehen zu lassen. Der Auslegungsablauf beruht teilweise auf theoretischen und experimentellen Unterlagen, die in geeigneter Weise mehrere Kennzahlen in ihren Zusammenhängen wie bspw. für ein Radial-Gleitlager wiedergeben: siehe Abb. 7 Gleitlager

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Gleitlager mit nicht rein laminaren Strömungsvorgängen wie bei Lagern mit sehr hohen Gleitgeschwindigkeiten und gleichzeitig sehr niedrigen Viskositäten des Schmierstoffes weisen im Vergleich mit rein laminaren Gleitlagern höhere Tragfähigkeit und höhere Reibungsverluste auf. Neben den schon erwähnten Gleitlagerkennzahlen spielt hier der qualitative Unterschied zwischen einer laminaren und turbulenten Strömung eine ausschlaggebende Rolle. Eine Auslegung eines turbulenten Gleitlagers ist im Vergleich zum laminaren wesentlich schwieriger. 

Axial-Gleitlager
Die Axial-Gleitlager bestehen auch aus einem bewegten (Axiallagerteller) und feststehenden Teil. 

Feststehender Teil und deren Varianten 
siehe Abb. 8 Gleitlager
 

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  1. Axiallagerring 
  2. Axiallagerring mit eingearbeiteten Keilflächen 
  3. Axiallagerring mit gestuftem Stauspalt 
  4. außermittig gestützte, kippbare Segmente oder häufig auch mittig gestützte, kippbare Segmente (z. B. bei Turbinenbetrieb einer Kühlwasserpumpe bei Rückströmung aus dem Rohrleitungssystem) 

Nach der Bauart wird zwischen hydrodynamischen, -statischen und für spezielle Anwendungen kombinierten hydrostatisch-hydrodynamischen Axial-Gleitlagern unterschieden. Für beide Grundbauarten muss durch Konstruktionsmaßnahmen die Möglichkeit einer axialen Bewegung der gelagerten Welle gegeben sein. Diese sollte mindestens der Größe der sich aus Belastung, Viskosität des Schmiermittels und der Gleitgeschwindigkeit ergebenden Dicke des Schmierfilmes entsprechen. Die Vor- und Nachteile hydrodynamischer und hydrostatischer Axial-Gleitlager entsprechen denen bei Radial-Gleitlagern. Abb. 9 Gleitlager zeigt ein fördermediumgeschmiertes Kohlelager in einer Umwälzpumpe.

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Grenzschicht

Die Grenzschicht ist bei einem strömenden Fluid der Bereich, in dem entlang fester Wände in unmittelbarer Wandnähe die Geschwindigkeit von dem Wert der Wand (bei Haftbedingung) asymp-totisch (sich einer vorgegebenen Kurve beliebig annähernd) auf den Wert der von der Wandreibung unbeeinflussten Außenströmung ansteigt. Als Grenzschichtdicke wird meist der Abstand von der Wand definiert, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit 99 % des Wertes der Außenströmung erreicht hat. In der sehr dünnen Grenzschicht bei Außenströmungen mit großen REYNOLDS-Zahlen erfolgt senkrecht zur Wand ein starker Geschwindigkeitsanstieg.

Im Gegensatz zur praktisch reibungsfreien Außenströmung (siehe Potenzialströmung) darf innerhalb der Grenzschicht die Reibung aufgrund von Trägheits- und Reibungskräften von gleicher Größenordnung nicht vernachlässigt werden. Die Reibungskräfte wirken auch auf die Wand und verursachen hier den Reibungswiderstand. Die Außen- und Grenzschichtströmung beeinflussen sich wechselseitig, indem einerseits die Außenströmung durch die Verdrängungswirkung der Grenzschicht von der Wand abgedrängt wird und andererseits die Außenströmung der Grenzschicht einen Druckverlauf aufprägt, der wesentlich die Entwicklung der Grenzschicht bestimmt. In der Grenzschicht kann sowohl eine laminare als auch turbulente Strömung vorkommen. Die laminare Grenzschicht ist bei gleicher Geschwindigkeit der Außenströmung dünner als die turbulente. Bei turbulenter Grenzschicht-Strömung ist dagegen das Geschwindigkeitsprofil fülliger mit starkem Geschwindigkeitsgefälle an der Wand, was auch einen erheblich größeren Reibungswiderstand zur Folge hat. In unmittelbarer Wandnähe besitzt auch eine turbulente Grenzschicht stets eine laminare Unterschicht, da notwendigerweise alle Querbewegungen wie die turbulenten Schwankungen an der Wand verschwinden müssen. Bei der Umströmung eines Körpers findet sich zunächst eine in Strömungsrichtung anwachsende laminare Grenzschicht, die nach einer gewissen Lauflänge instabil wird und unter dem Einfluss von Störungen wie Wandrauigkeiten oder turbulenten Schwankungen in der Außenströmung in die turbulente Strömungsform umschlägt.
siehe Abb. 1 Druckhöhenverlust

Die Grenzschicht kann ggf. vom Körper ablösen (Grenzschichtablösung). Dieser Vorgang tritt in Strömungsgebieten auf, in denen der von der Außenströmung der Grenzschicht aufgeprägte statische Druck in Strömungsrichtung ansteigt. Durch die Grenzschichtablösung wird die Außenströmung von der Wand abgedrängt. Hinter der Ablösestelle bildet sich ein Totwassergebiet, das stark von Wirbeln durchsetzt ist. Die Strömungsgeschwindigkeiten in diesem Totwassergebiet sind nach Größe und Richtung ungeordnet und teilweise strömt das Totwasser sogar zurück (Rückströmungseffekt). Die Ablösestrecke hinter der Ablösestelle liefert keinen wesentlichen Reibungswiderstand mehr. Aufgrund des Totwassers tritt eine Druckwiderstandserhöhung auf, die die Verkleinerung des Reibungswiderstandes bei weitem übertrifft. So erhöht sich der gesamte Strömungswiderstand eines Körpers mit Grenzschichtablösung stark. Dessen Strömungsablösungen sollten durch konstruktive und strömungstechnische Maßnahmen wie durch Formstücke, Düse oder Leitvorrichtung möglichst vermieden werden.

Eine spezielle Art der Strömungsablösung stellt die Ablöseblase dar, wie sie bei Strömungsprofilen entsteht, wenn die Grenzschicht kurz hinter einer laminaren Ablösung turbulent wird und so wieder zum Anliegen kommt. In gekrümmten Kanälen oder rotierenden Systemen ist das Gleichgewicht, das in der Außenströmung zwischen den Druckkräften einerseits und Trägheitskräften andererseits besteht, aufgrund der kleineren Strömungsgeschwindigkeiten in der Grenzschicht gestört. Die Folge sind dreidimensionale Sekundärströmungen. 

Die Grenzschicht spielt bei Rohrströmungen eine wichtige Rolle. So liegt häufig bei Rohreinläufen eine konstante Geschwindigkeitsverteilung vor. An der Wand bildet sich jedoch eine Grenzschicht aus, die mit zunehmender Entfernung vom Rohreinlauf dicker wird. Die von der Reibungswirkung noch nicht erfasste Kernströmung wird dabei beschleunigt, bis nach einer Anlauflänge die Grenzschicht voll ausgebildet ist. Weiter stromab ändert sich dann das Geschwindigkeitsprofil der Rohrströmung nicht mehr.

Grundplatte

Die Grundplatte dient bei der Aufstellung von Kreiselpumpen als gemeinsame Basis für Pumpe und zugehörigen Antrieb (Pumpenfundament). Beide werden darauf befestigt und sollen nach dem Ausrichten vor den Auswirkungen von Rohrleitungskräften und -momenten geschützt werden.

Gummierte Pumpe

Eine gummierte Pumpe ist eine Kreiselpumpe, deren flüssigkeitsberührte Teile mit einer Gummiauflage versehen sind. Hierbei wird zwischen der Weich- (Mehrschichtengummierung; vorwiegend zum Schutz vor Verschleiß) und Hartgummierung (Einschichtgummierung; vorwiegend zum Schutz vor Korrosion) unterschieden. siehe Abb. 1 Gummierte Pumpe

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