Die Tanklagerpumpe ist eine Anwendung der Tauchpumpe. Sie kommt in Tanklagern zum Einsatz, wo sie flüssige Roh-, Zwischen- und Fertigprodukte in Chemie- und Petrochemieanlagen sowie Raffinerien fördert. Abhängig von den geforderten Förderdaten und davon, ob die zu fördernde Flüssigkeit leichtflüchtig, brennbar oder giftig ist, verwenden die Anlagenbetreiber verschiedene Pumpenbauarten.
Der Einsatz der Tanklagerpumpe erfordert oft die Verwendung besonderer Pumpenbauarten aufgrund der länderabhängigen amtlichen Vorschriften. So dürfen z. B. in verschiedenen Staaten bei Behältern mit brennbaren oder giftigen Flüssigkeiten nur Tauchpumpen mit einer dichtend (siehe Wellendichtung) aus dem Behälter herausgeführten Pumpenwelle, eine auf dem Behälter angeordnete selbstansaugende Pumpe oder eineTauchmotorpumpe eingesetzt werden. Für leichtflüchtige und brennbare Flüssigkeiten empfehlen sich aus Gründen der Sicherheit und Korrosion zähe Werkstoffe wie Stahl- und Sphäroguss (siehe Werkstoffauswahl). Mit Ausnahme der Tauchpumpen mit getrennter Druckleitung (siehe Pumpenanlage), bei denen im Betrieb die Wellendichtung nicht förderflüssigkeitsberührt ist, kommen bei den anderen mit konventionellen Antrieben ausgerüsteten Pumpen überwiegend Gleitringdichtungen zum Einsatz. Tauchpumpen sind meist so konstruiert, dass sie in genormte Mannlöcher eingeführt werden können und die Fußplatte der Pumpe das Mannloch abschließt.
Der Einsatz von Tauchpumpen ist problematisch, wenn die Höhe der Behälter große Einbautiefen erfordert. Neben der erschwerten Wartung dieser Pumpen, die nur mithilfe von transportablen Hebezeugen gezogen werden können, ergeben sich besonders bei niedrigen Flüssigkeitsständen und intermittierendem Betrieb bei mehreren förderflüssigkeitsgeschmierten Zwischenlagern (Gleitlager) Schwierigkeiten, wenn die Förderflüssigkeit sehr aggressiv ist oder zur Kristallbildung neigt (z. B. Natron- und Kalilauge). Bei Förderung von Schmelzen oder höher viskosen Flüssigkeiten (siehe Viskosität) sind Tanklagerpumpen oft mit einem Heizmantel ausgestattet, um die Förderflüssigkeit in der Pumpe pumpfähig zu halten. Eine besondere Ausführung ist für Flüssiggastanklager erforderlich (Flüssiggaspumpe).
Die Tauchmotorpumpe ist eine Pumpe mit Asynchronmotor, deren hydraulischen Bauteile (Pumpengehäuse,Laufrad, Leitvorrichtung) und der Motor von dem Fördermedium überflutet sind. Für die Installation wird die Tauchmotorpumpe an einer Führung (Seil- oder Stangenführung) in den Pumpensumpf abgesenkt. Durch eine an der Pumpe befestigte Halterung, in der sich eine Gummiprofildichtung befindet, kann die Tauchmotorpumpe nahezu leckagefrei an der im Pumpensumpf fest installierten Rohrleitung angeschlossen und das Aggregat vollständig überflutet werden. Das von außen benetzte Motorgehäuse gibt dann die Motorwärme an das umgebende Fördermedium ab.
Neben den Unterwassermotorpumpen mit flüssigkeitsgefüllten Motoren (z. B. Unterflüssigkeitsmotor), bei denen Konstruktionen für beliebige Eintauchtiefen möglich sind, gibt es mit Luft (selten mit Öl) gefüllte Tauchmotorpumpen, deren Motoren für geringe bis mittlere Eintauchtiefen (bis zu 80 m) konzipiert sind oder sogar nur gelegentlich oder nur zum Teil von außen benetzt werden. In diesem Fall wird die Motorwärme durch eine Wärmeleitung an das Fördermedium und über größere Oberflächen des Motorgehäuses durch Konvektion oder erzwungene Luftströmung an die Atmosphäre abgegeben.
Einsatzgebiete der vertikal aufgestellten Tauchmotorpumpe siehe Abb 1. Tauchmotorpumpe
Die Tauchmotorpumpe ist meist einstufig gebaut und benötigt evtl. auch keine Saugleitung, da ihr das Fördermedium von allen Seiten zuläuft. Kleinere Aggregate sind transportabel und meistens mit einem niveaugesteuerten Schalter zur automatischen Ein- und Ausschaltung versehen. Die Werkstoffe der Tauchmotorpumpe müssen dem jeweiligen Fördermedium, das auch Sand und Verunreinigungen enthalten kann, angepasst sein. Darüber hinaus ist auch eine Bauweise mit Explosionsschutz möglich.
Das Tauchmotorrührwerk ist ein Rührgerät mit offener, axialer Propellerhydraulik und trocken laufendem Tauchmotor (siehe auch Rührwerk). siehe Abb. 1 Tauchmotorrührwerk
Die Tauchpumpe(öffnet in einem neuen Tab), auch als Unterwasserpumpe bezeichnet, ist eine Kreiselpumpe, bei der die hydraulischen Bauteile (Pumpengehäuse, Laufrad, Leitvorrichtung) von dem Fördermedium überflutet sind. Sie besitzt daher meist keine Saugleitung.
Ist der Motor über Flur angeordnet, handelt es sich um eine Wellentauchpumpe.
Der Teleservice beschreibt einen Daten- und Informationsaustausch zwischen voneinander entfernt stehenden technischen Anlagen. Ziel ist die Zustandserfassung, die Fehlererkennung, Diagnose, Wartung und Datenanalyse zur Optimierung der Anlage.
Die Temperatur ist eine physikalische und thermodynamische Zustandsgröße, welche die thermische Energie eines Stoffes beschreibt. Ihre SI-Einheit ist das Kelvin (K). Zulässig ist in den DACH-Ländern (Deutschland, Österreich, Schweiz) auch Grad Celcius (°C) und in den USA auch Grad Fahrenheit (°F) (siehe auch Messtechnik).
Für die Temperaturmessung in Kreiselpumpen dienen vorwiegend die Berührungsthermometer. Dabei kommt der Temperaturfühler mit dem zu messenden Medium in Berührung. Der intensive Wärmeaustausch zwischen Medium und Temperaturfühler wird z. B. durch die Anordnung im Volumenstrom, die Materialauswahl und die konstruktiven Maßnahmen am Fühler realisiert. Ein Wärmetransport durch den Temperaturfühler nach außen ist allerdings zu verhindern. Das Temperaturmessverfahren wird durch den betroffenen Temperaturbereich und durch die speziellen Erfordernisse wie die Installationsbedingungen, die Genauigkeit, Dynamik der Messgrößen und Signalübertragung einer gegebenen Messaufgabe bestimmt. siehe Abb. 1 Temperaturmessung
Abb. 1 Temperaturmessung: Anwendungsbereiche der einzelnen Temperaturmessverfahren
Übliche Berührungsthermometer sind Flüssigkeits- und Widerstandsthermometer sowie Thermoelemente. Entsprechend gültige Regelwerke sind z. B. VDE/VDI 3511, DIN 43735 und DIN 16160.
Ein Temperatursensor ist ein elektronisches Bauelement. Die Umwandlung der Temperatur in eine elektrische Größe erfolgt häufig auf dem Prinzip der thermisch bedingten Widerstandsänderung (z. B. PT 100) oder dem thermoelektrischen Effekt (z. B. Thermoelement) (siehe auch Sensor und Thermoelektrische Spannungsreihe).
Ein durch zu hohen elektrischen Strom thermisch auslösender Überlastschutz wird durch ein Bimetall realisiert. Jede stromführende Leitung zum Motor erhält dabei ein eigenes Bimetall-Element (siehe auch Motorschutz).
Der Thermistor ist ein wärmeempfindlicher elektrischer Widerstand, der bei einer Temperaturänderung seinen Widerstandswert reproduzierbar ändert. Der NTC-Widerstand hat eine entgegengesetzte Charakteristik wie der PTC-Widerstand.
Das Erwärmen einer Löt- oder Schweißverbindung von zwei Metallen (z. B. zur Temperaturmessung) bei kalten freien Enden hat eine thermoelektrische Spannung zur Folge. Diese Spannung ist der Unterschied zwischen den in folgender Liste angegebenen Werten, die auf Platin als Nullpunkt und auf 100 °C Temperaturunterschied bezogen sind. siehe Abb. 1 Thermoelektrische Spannungsreihe
Das Thermoelektrische Prinzip steht für ein Messprinzip, das auf dem thermoelektrischen Effekt wie bei der Temperaturerfassung beruht (siehe auch Sensor und Thermolektrische Spannungsreihe).
Ein Thermoelement ist ein Messgerät (siehe auch Sensor), dessen Messprinzip auf dem thermoelektrischen Effekt beruht. Es besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende miteinander verbunden sind. Es wird zur Messung der Temperatur eingesetzt.
Eine Tiefsaugevorrichtung kommt zum Einsatz, wenn der saugseitig zu tief liegende Wasserspiegel kein Ansaugen mit normaler Pumpe erlaubt. Sie werden in diesem Fall zur Förderung von relativ kleinen Wasserströmen bis ca. 10 m3/h aus engen Rohrbrunnen und bei einer Tiefenlage des Wasserspiegels bis zu 40 m unter Flur verwendet (v. a. in den USA).
Bei einer Tiefsaugevorrichtung wird zunächst aus der Druckleitung einer normalen, über Flur aufgestellten Kreiselpumpe ein Teil des Gesamtvolumenstroms der Pumpe als Treibwasserstrom (QT) abgezweigt. Danach erfolgt die erneute Zuführung des Volumenstroms zu dem etwa 1 m unter dem am tiefsten abgesenkten Wasserspiegel eingebauten Strahlapparat (siehe Wasserstrahlpumpe). siehe Abb. 1 Tiefsaugevorrichtung
Abb. 1 Tiefsaugevorrichtung: Kreiselpumpe für Treibwasserstrom über Flur, Strahlapparat in Bohrloch
Der Strahlapparat saugt den Nutzstrom (Qn) an und fördert den Gesamtstrom (Qn+ QT) durch die Saugwirkung der Pumpe in den Pumpensaugstutzen. siehe Abb. 2 Tiefsaugevorrichtung
Abb. 2 Tiefsaugevorrichtung: Strahlapparat als Tiefsauger
Nach dem Passieren der Pumpe wird wieder die Umlaufmenge (QT) abgezweigt. Der Nutzwasserstrom (Qn) fließt zum Verbraucher. Die Anlage lässt sich dann wie folgt bemessen:
Hieraus lassen sich mit der gegebenen Spiegeltiefe (T) und Gesamtförderhöhe (Hges) zunächst überschlägig die Werte für die Nutzförder- (Hn) und Treibhöhe (HT) bestimmen. Daran anschließend wird das Verhältnis aus Treib- und Nutzförderhöhe (HT/Hn) gebildet. Aus dem Berechnungsdiagramm für Tiefsaugevorrichtungen lässt sich der dazu entsprechende Wert des Verhältnisses von Umlaufmenge zu Nutzwasserstrom (QT/Qn) ablesen.
Da der Nutzstrom (Qn) ebenfalls gegeben ist, ist es möglich, auch den Treibstrom (QT) und die überschlägigen Auslegungsdaten der Kreiselpumpe zu errechnen. siehe Abb. 3 Tiefsaugevorrichtung
Abb. 3 Tiefsaugevorrichtung: Berechnungsdiagramm für Tiefsaugevorrichtungen
Sind alle Daten bekannt, so kann ein geeigneter Pumpentyp ausgewählt und die lichte Weite der Treib- und Steigleitung bestimmt werden. Damit sind dann auch die Werte für die zulässige Saughöhe (HS), sowie die Widerstandshöhe in der Steig- (HVS) und Treibwasserleitung HVT (siehe Druckverlust) zu bestimmen. Die Berechnung kann mit genaueren Werten wiederholt werden.
Die Förderhöhe (H) der Kreiselpumpe ist :
Mit diesen Werten ist es dann möglich, die lichte Weite und den Leitungswiderstand in Steig- und Treibwasserleitung zu bestimmen. Abschließend erfolgt evtl. eine erneute, genauere Rechnung. In den häufigsten Fällen genügt jedoch bereits die Näherungsrechnung.
Der Zusammenhang zwischen bei Strahlapparaten üblichen Werten von QT/Qn und HT/Hn ist in einer Kurve dargestellt. Ihr genauer Verlauf ist von der Bauart des verwendeten Gerätes abhängig. siehe Abb. 3 Tiefsaugevorrichtung
Bei der Projektierung der Kreiselpumpe mit Tiefsaugevorrichtung ist in jedem Falle eine genaue Berechnung der Wirtschaftlichkeit anzuraten, da die Strahlapparate oder Wasserstrahlpumpen im Vergleich zu den für einen solchen Bedarfsfall ebenfalls einsetzbaren Kreiselpumpentypen wie Bohrlochpumpe, Tauchmotorpumpe und Unterwassermotorpumpe einen relativ niedrigen Wirkungsgrad aufweisen.
Bei hydraulischen Abnahmen müssen Toleranzen bei Messungen zum Nachweis einer Garantie eingehalten werden. In der Abnahmeregel DIN EN ISO 9906 werden für die einzelnen Betriebskenngrößen Toleranzfaktoren eingeführt. Diese Toleranzfaktoren für Förderstrom (±τQ), Förderhöhe (±τH) und Pumpenwirkungsgrad (±τη) sind auf den Garantiepunkt anzuwenden.
Die Garantie für Förderhöhe und Förderstrom ist erfüllt, wenn die aus Messungen ermittelte QH-Linie den vertikalen und horizontalen Balken des Toleranzkreuzes schneidet oder zumindest berührt. Siehe Abb. 1 Toleranz
Abb. 1 Toleranz: Garantienachweis für Förderstrom, Förderhöhe und Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad wird aus dem Schnittpunkt der gemessenen QH-Kennlinie 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-τη) ist.
In der aktuellen Version der DIN EN ISO 9906 gibt es 6 Klassen zur Beurteilung einer Pumpenmessung. Dabei ergeben sich verschiedene Toleranzen. Siehe Abb. 2 Toleranz
Abb. 2 Toleranz: Genauigkeitsklassen bei der Abnahmeprüfung von Pumpen mit entsprechendem Toleranzband
Entsprechend dieser erweiterten Klasseneinteilung gibt es Diagramme, die beispielhaft die Bedingungen für die Erfüllung der Garantie zeigen. Siehe Abb. 3 Toleranz
Die Topfgehäusepumpe, in der Kraftwerkstechnik werden die Speisepumpen auch als Mantelgehäusepumpe oder "barrel type"-Pumpe bezeichnet, ist eine von einem topfähnlichen Gehäuse umgebene Kreiselpumpe. siehe Abb. 1 Topfgehäusepumpe
Der mit einem Saugstutzen undDruckstutzen versehene Topf wird an den Stirnseiten mit einem Druckdeckel und Einlaufring verschraubt. Die Antriebswelle wird druckseitig durch den Deckel und saugseitig durch den Einlaufring geführt und jeweils mittels einer Wellendichtung abgedichtet.
Die Topfpumpe ist eine meist mehrstufige Pumpe für vertikalen Einsatz. Anwendung findet sie u. a. in der Prozess- und petrochemischen Industrie bspw. als Raffineriepumpe oder als Kondensatpumpe. siehe Abb. 1 Topfpumpe
Abb. 1 Topfpumpe: Mehrstufige, vertikale Raffineriepumpe als Topfpumpe, ohne Wellendichtung dargestellt
Bei den Torsionsdynamometern handelt es sich um Maschinenbauelemente, die im allgemeinen zwischen Motor und Arbeitsmaschine oder zwischen Generator und Kraftmaschine eingebaut sind, die Leistung übertragen und gleichzeitig das Drehmoment messen. Die Drehmomentmessung wird bei den Torsionsdynamometern auf die Messung des Verdrehwinkels eines bestimmten Wellenstückes, des sogenannten Drehstabes, zurückgeführt (siehe Leistungsmessung).
Die Totzeit wird auch als Lauf- oder Transportzeit bezeichnet und bestimmt in der Regelungstechnik die Zeitspanne zwischen der Eingabe des Eingangssignals bis nach Durchlaufen der Regelstrecke zum Ankommen des Ausgangssignals. Ohne ein Durchlaufen dieser Totzeit kommt kein Ausgangssignal zustande.
Ein System, in dem die Totzeit vorkommt, wird als Totzeitglied bezeichnet. Treten hier die Totzeiten in erheblichem Maße auf, ist ein schlechteres Regelverhalten zu erwarten, da die genaue Bestimmung der Regelparameter komplizierter ist. Die Totzeit ist nicht mit der Verzögerungszeit zu verwechseln.
Die Bezeichnung TPM ist die engl. Abkürzung für "total pump management" und steht für ein modular aufgebautes Servicekonzept für Pumpen, Armaturen und artverwandte Systeme gleich welchen Herstellers. Unter den drei OberbegriffenLeistung,Garantie und Kondition finden sich alle für einen Servicevertrag kombinierbaren Module. siehe Abb. 1 TPM
Die Tragflügeltheorie hat bei der Berechnung von axialen Beschaufelungen (Laufrad, Leitrad, Schaufel) eine große Bedeutung gewonnen. Bei der Berechung wird allerdings die Schaufel als Tragflügel im Verband eines Gitters (siehe Schaufelgitter) aufgefasst. Die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte sowie andere Kenngrößen des Tragflügels in Abhängigkeit von seinem Anstellwinkel werden dabei größtenteils auf experimentellem (z. B. im Windkanal mit Dreikomponenten-Kraftmessungen) oder theoretischem Wege (analytisch und/oder CFD) gewonnen. Die Tragflügeltheorie ermöglicht die Berechnung der reibungsfreien inkompressiblen Anströmung (siehePotenzialströmung) eines Tragflügels unendlicher Spannweite entweder mithilfe konformer Abbildungen (zur Rückführung auf die Kreiszylinderumströmung) oder unter Zuhilfenahme des Singularitätenverfahrens (Simulation von Wirbeln, Quellen und Senken auf der Tragflügel-Skelettlinie oder Sehne oder nur von Wirbeln auf seiner Kontur). Das Singularitätenverfahren ist in erweiterter Form auch auf Schaufelgitter anwendbar.
Der Treibstrom bezeichnet bei Strahlapparaten den Volumenstrom, der den Nutzvolumenstrom antreibt und dabei dessen Energie erhöht (siehe auch Tiefsaugevorrichtung).
Der Trenntransformator überträgt über zwei elektrisch voneinander isolierte Spulen eine Wechselspannung in der Regel im Verhältnis 1:1. Der Trenntransformator wird eingesetzt, um z. B. eine nicht mit dem Erdpotenzial verbundene elektrische Spannung zur Verfügung zu stellen.
Die Tribologie ist die Reibungslehre. Körper stehen mit der Umgebung sowie anderen Körpern über ihre Oberfläche und damit ihr Volumen in Wechselwirkung. Zwischen den Berührungsstellen bilden sich Grenzflächen. Zur Beurteilung des Reibungs- und Verschleißverhaltens sind Kenntnisse der Oberflächen- und Grenzflächencharakteristik vorauszusetzen. Charakteristische tribologische Eigenschaften sind die Topografie und Rauheitskenngrößen.
Der Begriff der Trockenaufstellung bezieht sich meist auf größere Vertikalpumpen. Dabei wird eine Kreiselpumpe in einem trockenen Raum aufgestellt und im Gegensatz zur Nassaufstellung an keiner Stelle des Pumpengehäuses überflutet.
Die Trockenkühlung ist eine Art der Kühlung, bei der das Kühlmedium Wasser nicht in direkten Kontakt mit der Wärme aufnehmenden Luft kommt. Es gibt die Unterscheidung zwischen direkter und indirekter Luftkühlung.
Das Verfahren der direkten Luftkühlung benutzt zur Kühlung und Kondensation des in einem geschlossenen Kreislauf befindlichen Dampfs ausschließlich Luft. Die Kühlwasserpumpenentfallen bei der direkten Luftkühlung.
Indirekte Luftkühlung
Bei dem Verfahren der indirekten Luftkühlung wird das Kühlwasser mithilfe einer Umwälzpumpe durch einen Trockenkühlturm geleitet und einem Mischkondensator zugeführt.
Der meist unerwünschte Trockenlauf einer Kreiselpumpe tritt bei völligem Fehlen der flüssigen Komponente des Fördermediums auf (z. B. nach Lufteinbruch in die Saugleitung) oder bei normaler Förderung beim Festsetzen von Gasblasen (sieheLuftsackbildung) an normalerweise benetzt rotierenden Bauteilen (partieller Trockenlauf). Bei sachgemäßer Konstruktion und normalem Betrieb der Kreiselpumpe füllt die geförderte Flüssigkeit den gesamten Strömungsraum und auch die engen Spaltdichtungen an Laufrädern,Packungen oder Gleitringdichtungen aus. Diese Flüssigkeit trägt zur Schmierung und Kühlung sich berührender Teile bei, übt in Drosselspalten der Laufräder und Wellendurchgängen (siehe mehrstufige Pumpe) zentrierende Kräfte aus; somit können lange, schlanke Gliederpumpen berührungsfrei laufen.
Bleibt diese Förderflüssigkeit aus, so kann es in einigen Bereichen wegen mangelnder Kühlung und Zentrierung zum Trockenlauf kommen. Unzulässige Erwärmung, Abrieb, Fressen der Werkstoffe, Schwingungen und andere Erscheinungen bis hin zur vollständigen Zerstörung der Pumpe können die Folge sein.
Sind die Fälle von totalem oder partiellem Trockenlauf seitens des Betriebes nicht auszuschließen, so ist die Kreiselpumpe u. U. mit einem höheren Aufwand zu konstruieren. Dazu gehören verstärkte Wellen, die die radiale Berührung des Läufers mit Gehäuseteilen verhindern, entsprechende Spaltausführungen (Spaltdichtung) und die vom Fördermedium unabhängige Versorgung der Gleitringdichtungen, Packungen sowie Lager mit Schmier- oder Sperrflüssigkeit.
Die Pumpen mit hydraulischen Entlastungseinrichtungen für den Axialschub müssen ein zusätzliches, den Anlauf verhinderndes Axiallager erhalten. Bei eintretendem Trockenlauf kann auch ein Trockenlaufschutz die Pumpe außer Betrieb setzen.
Die selbstansaugenden Kreiselpumpen benötigen immer eine gewisse Füllung mit Flüssigkeit, um selbst ansaugen zu können. Derartige Pumpen arbeiten während der Ansaugzeit bei partiellem Trockenlauf.
Der Trockenlaufschutz soll den Betrieb einer Flüssigkeitspumpe ohne Fördermedium verhindern. Dazu werden die Pumpen mithilfe unterschiedlicher Messverfahren überwacht. Wird dabei ein vorgegebener Grenzwert unterschritten, kommt es zu einer Totalabschaltung der Anlage mit entsprechender Meldung. Danach kann je nach Sicherheitsanforderungen die Wiedereinschaltung der Anlage automatisch oder manuell erfolgen.
Die standardisierte Kreiselpumpe lässt sich rückwärtslaufend als Turbine einsetzen, ohne dass es irgendeiner Änderung an der Gehäuseform oder Laufradgeometrie bedarf. Bei der Auslegung sind lediglich bestimmte Regeln hinsichtlich des Volumenstroms (Q), der Förderhöhe (H) und der Drehzahl (n) zu beachten.
Fast immer gelingt es, auch im Umkehrbetrieb gleich gute Wirkungsgrade wie im Normalbetrieb zu erreichen. So beträgt dieser bei einer zweiströmigen Spiralgehäusepumpe ca. 85 %. Dies bedeutet aber, dass auch im Umkehrbetrieb ein Betriebspunkt optimalen Wirkungsgrades existieren muss, bei dem die Strömung im Innern der Maschine nahezu stoßverlustfrei verläuft. In diesem Betriebspunkt hat die als Turbine laufende Pumpe einen ebenso ruhigen Lauf, wie dies für den normalen Pumpenbetrieb im Auslegungspunkt gilt. Die Abströmung ist dabei nahezu drall- sowie wirbelfrei undSchwingungen der Rohrleitungen, Geräusche oder Verschleiß sind sehr gering.
Im optimalen Turbinenbetrieb wirkt die rückwärtslaufende Pumpe auf den Druckverlauf der Strömung wie eine Drossel. Im Unterschied zur üblichen Stoßverlustdrossel gibt sie jedoch den größten Teil der aus der Strömung entzogenen Energie über die Welle nach außen ab. Die ausgekoppelte Energie kann dann dem Strömungsmedium entweder an anderer Stelle wieder zugeführt werden oder ist als Energie (in mechanischer oder elektrischer Form) auf vielfältige andere Weise wiederverwendbar, bspw. bei der Meerwasserentsalzungsanlage (siehe Energierückgewinnung).
Ein Unterschied zwischen dem Pumpen- und Turbinenbetrieb ist eine gegenüber dem normalen Pumpenbetrieb geänderte Richtung, die mit negativem Vorzeichen angegeben wird. Darüber hinaus sind die Durchsatzmenge und abgebaute Fallhöhe bei gleicher Drehzahl im Turbinenbetrieb im Wirkungsgradmaximum immer größer als die Fördermenge und -höhe im Pumpenbetrieb. Der Turbinenwirkungsgrad entspricht dabei i. d. R. dem Pumpenwirkungsgrad. Die Drehzahlumrechnung der Förderhöhe und -menge sowie Leistung ist aufgrund der ähnlichen Geschwindigkeitsdreiecke im Pumpen- und Turbinenbetrieb mit den normalen Affinitätsgesetzen möglich. siehe Abb. 1 Turbinenbetrieb
Abb. 1 Turbinenbetrieb: Unterschied zwischen Pumpen- und Turbinenbetrieb
Die Einbindung einer Pumpe in den Turbinenbetrieb einer Druckregelanlage erfolgt am günstigsten per Bypass. Da die Kreiselpumpe keine verstellbaren Leitschaufeln besitzt, bedarf sie im Turbinenbetrieb einer externen Regeleinrichtung (Regelarmatur I und II). Vor der Maschine ist eine Absperrarmatur einzubauen, um sie für Wartungsarbeiten stillsetzen zu können. siehe Abb. 2 Turbinenbetrieb
Abb. 2 Turbinenbetrieb: Druckregelanlage mit einer im Bypass angeordneten Pumpe im Turbinenbetrieb
Es ist technisch einfach und wirtschaftlich günstig, die zurückgewonnene Energie über einen als Generator betriebenenAsynchronmotor direkt ins elektrische Netz einzuspeisen. Hierbei wird die Betriebsdrehzahl des Aggregates vom elektrischen Netz (bis auf einen lastabhängigen geringen Schlupf) konstant gehalten. Noch einfacher ist die Kupplung der Pumpe im Turbinenbetrieb direkt mit einer Arbeitsmaschine, um damit den Elektromotor zu entlasten oder zu ersetzen. Die Erzeugung von elektrischem Strom für einen Inselbetrieb ist möglich, jedoch ist ein erheblicher Regelungsaufwand notwendig, um bei wechselnder Netzbelastung eine konstante Frequenz aufrechtzuerhalten. siehe Abb. 3 Turbinenbetrieb
Abb. 3 Turbinenbetrieb: Druckregelung einer Kreiselpumpe im Turbinenbetrieb mit konstanter Drehzahl mit den Regelarmaturen I und II nach Abb. 2 Turbinenbetrieb
Der Betriebspunkt einer Turbine stellt sich analog wie bei der Pumpe auf dem Schnittpunkt zwischen der Betriebskennline HT(Q) und der Anlagenkennlinie HA(Q) ein. Verändert sich der Volumenstrombedarf zu kleineren Volumenströmen hin, kann die mit konstanter Drehzahl laufende Pumpe im Turbinenbetrieb das vorhandene Druckpotenzial nicht mehr verarbeiten (Punkt B). Die Überschussenergie ΔHB muss in der Regelarmatur II abgebaut werden, um die Forderung nach einem konstanten Druck auf der Ablaufseite zu erfüllen. Steigt der Volumenstrombedarf auf den Punkt C, ist der erhöhte Volumenstrom QC durch Öffnen der Regelarmatur I erreichbar. Die Pumpe im Turbinenbetrieb allein würde zuviel Druck abbauen (Punkt C'), was eine Absenkung des Drucks auf der Ablaufseite zur Folge hätte. Als Regelgröße für die Drosselarmaturen I und II dient der Druck nach der Regelanlage.
Beim Einsatz einer Maschine mit konstanter Drehzahl ergeben sich bereits erläuterte Probleme: Die Pumpe im Turbinenbetrieb ist nur für einen bestimmten Volumenstrom und ein bestimmtes Druckgefälle ausgelegt. Die anderen Betriebszustände müssen durch die Drosselorgane eingestellt werden.
Das vorhandene Energieangebot wird nicht voll ausgeschöpft. Das Aggregat und seine Regeleinrichtung sind jedoch technisch einfach, leicht beherrschbar und preiswert. Als Generator eignet sich in vielen Fällen ein rückwärtslaufender serienmäßiger Asynchronmotor.
Bei Verwendung eines drehzahlgesteuerten Generators anstatt des Asynchronmotors kann bei einer konstanten Fallhöhe (HT) der Volumenstrom (QT) ohne zusätzliche Drosselung variiert werden. Die Pumpe im Turbinenbetrieb wird so ausgewählt, dass ihr Volumenstrom mit dem am häufigsten vorkommenden Volumenstrombedarf zusammenfällt. Ändert sich die Betriebsweise der Anlage zu kleineren Volumenströmen hin, dann wird die Drehzahl erhöht. Analog dazu ist die Drehzahl bei steigendem Volumenstrombedarf zu verringern.
Diese Gesetzmäßigkeit wirkt sich auf den Gesamtwirkungsgrad der Anlage ausgesprochen ungünstig aus. So fällt der Wirkungsgrad bei steigender Drehzahl, konstantem Druckabbau und damit kleiner werdendem Volumenstrom sehr steil ab. Umgekehrt wird bei steigendem Volumenstrom und damit fallender Drehzahl recht schnell die Betriebsgrenze der Pumpe im Turbinenbetrieb erreicht (ca. 1,5-fache vom optimalen Volumenstrom (QT.opt)).
Bei der Pumpen-Turbinen-Kombination geht die Energiebilanz auf, sodass die Turbinenleistung gleich der Pumpenleistung ist. Damit arbeitet das Aggregat als Energiewandler. Eine Kopplung mit einem Elektromotor ist nicht nötig. Beim Einsatz von Pumpen als Turbinen ergeben sich gegenüber konventionellen Turbinen diverse Vor- und Nachteile. siehe Abb. 4 Turbinenbetrieb
Vorteile
Nachteile
breite Leistungspalette von im Raster eng gestaffelten Serienpumpen
geringe Anpassungsmöglichkeiten wegen fehlender Regeleinrichtung
große Auswahlmöglichkeit bez. Werkstoffen, Dichtungen und sonstigem Zubehör
preisgünstige Serienprodukte
etwas schlechtere Wirkungsgrade als bei Turbinen, die speziell ausgelegt und gefertigt werden
kurze Lieferzeiten
Einsatz von Gliederpumpen bei großen Fallhöhen und kleinen Durchsatzmengen
geringer Steuerungs- und Überwachungsaufwand
kein verstellbarer Leitapparat
Abb. 4 Turbinenbetrieb
Kreiselpumpe und Turbine sind Turbomaschinen, die aufgrund des Impulses dem strömenden Medium die Energie zuführen oder entziehen. Die Gesetzmäßigkeiten sind durch die EULER-Gleichung festgeschrieben. siehe Abb. 5 Turbinenbetrieb
Abb. 5 Turbinenbetrieb: Formelbezeichnungen
Wichtige Kennlinien für den Turbinenbetrieb siehe Abb. 6 Turbinenbetrieb
Widerstandskennlinie a: Leerlaufkennlinie beim Drehmoment (T) gleich 0
Widerstandskennlinie b: Betriebskennlinie bei konstanter Drehzahl (n)
Widerstandskennlinie c: Festbremskennlinie bei Drehzahl (n) gleich 0
Abb. 6 Turbinenbetrieb: Turbinenkennfeld einer Standard-Kreiselpumpe mit radialem Laufrad
Bisher wurde zur Auslegung der Pumpe im Turbinenbetrieb nur die Betriebskennlinie (b) betrachtet. Die Widerstandskennlinien (a, c) mit dem Drehmoment (T) und der Drehzahl (n) gleich Null sind erst bei Störfällen von Bedeutung. Bei Unterbrechung bspw. der Lastabnahme an der Welle durch Ausfall des elektrischen Netzes läuft die Pumpe als Turbine auf den Betriebspunkt im Schnittpunkt zwischen der Anlagen- und Leerlaufkennlinie.
Wird für die Anlagenkennlinie einfach ein konstantes Gefälle angesetzt, dann ergibt sich auf der Linie 1 der Punkt D. Die sich dort einstellende Drehzahl (siehe Durchgangsdrehzahl) ist erheblich größer als die Betriebsdrehzahl (nA) und wird nach plötzlicher Entlastung des Generators in kürzester Zeit erreicht.
Die Pumpe im Turbinenbetrieb und der Generator müssen auf die daraus resultierenden Umfangsgeschwindigkeiten ausgelegt sein, damit das Aggregat bei diesen Betriebsverhältnissen keinen Schaden davonträgt. Mit der Drehzahländerung verringert sich ebenso abrupt der Volumenstrom, was zu erheblichen Druckstößen in der Rohrleitung und zu einer zusätzlichen kurzzeitigen Drehzahlerhöhung führen kann.
Die Widerstandskennlinie (c) gibt den QT(H)-Verlauf bei blockiertem Läufer an.
Die Betriebskennlinien b radialer Laufräder liegen im Bereich des Auslegungspunktes A nahe bei der Widerstandskennlinie c und verlaufen im Überlastgebiet in einem relativ geringen Abstand fast parallel zu ihr. Diese physikalische Gegebenheit kann genutzt werden, die Gefahr des Druckstoßes zu reduzieren. Dazu wird die Pumpe im Turbinenbetrieb mit einer schnellschließenden Bremse versehen, die bei Lastabwurf des Generators sofort greift, um das Aggregat am Hochlaufen auf die Durchgangsdrehzahl zu hindern. Der Maschinensatz wird auf eine Drehzahl gleich Null abgebremst. Der neue Betriebspunkt stellt sich auf der Widerstandskennlinie c im Punkt E ein. siehe Abb. 6 Turbinenbetrieb
Die damit verbundene Volumenstromänderung (ΔQ) ist jedoch erheblich kleiner als die sich aus dem Betrieb des Aggregates mit dem Drehmoment gleich Null ergebende. Abb. 6 zeigt auch die Verläufe von Wirkungsgrad ηT und Leistung PT in Abhängigkeit vom Durchsatz QT.
Für Pumpen im Turbinenbetrieb mit halbaxialen Laufrädern fallen diese Kennlinien scheinbar zusammen, somit muss wegen einer möglichen schnellen Volumenstromänderung keine besondere Maßnahme ergriffen werden. Jedoch ist zu beachten, dass mit zunehmender spezifischer Drehzahl auch die Durchgangsdrehzahl größer wird.
Für Pumpen im Turbinenbetrieb mit axialen Laufrädern führt das Festbremsen zu einer Volumenstromminderung während das Durchgehen zu größeren Volumenströmen führt. Aus Systemgründen ist beim Einsatz solcher Pumpen im Turbinenbetrieb wegen i. A. sehr kurzer Rohrleitungen keine Druckstoßgefahr gegeben.
Eine turbulente Strömung ist im Gegensatz zu laminarer Strömung zusätzlich durch einen makroskopischen (sichtbaren) Impulsaustausch der einzelnen Strömungsschichten gekennzeichnet. Diese turbulenten Schwankungen sind unregelmäßige und zeitabhängige Vorgänge.
