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Tanklagerpumpe

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

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 eine Tauchmotorpumpe 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).

Tauchmotorpumpe

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

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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.

Tauchpumpe

Die Tauchpumpe, 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

Anwendungen sind die

Ist dagegen auch der Motor gemeinsam mit den hydraulischen Bauteilen überflutet, wird das Aggregat als Tauchmotorpumpe bezeichnet. 

Eingesetzt wird sie als

Mit dem gleichen Bauprinzip arbeitet auch die Unterwassermotorpumpe.


KSB Tauchpumpe - Bestmögliche Leistung unter schwierigen Bedingungen

Teleservice

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. 

Der Datentransfer erfolgt per Datenfernübertragung (siehe auch Kommunikationssystem).

Temperatur

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).

Temperaturmessung

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

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Übliche Berührungsthermometer sind Flüssigkeits- und Widerstandsthermometer sowie Thermoelemente. Entsprechend gültige Regelwerke sind z. B. VDE/VDI 3511, 2512 und DIN 16160.

Thermistor

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.

Thermoelektrische Spannungsreihe

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

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Thermoelement

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.

Thyristor

Der Thyristor ist ein Halbleiter-Schaltelement, das aus mindestens vier Halbleiterschichten besteht, die eine unterschiedliche Dotierung haben. 

Sie werden zur elektrischen Drehzahlverstellung bei Drehstrommotoren und als Stromrichter in Frequenzumrichtern eingesetzt.

Tiefsaugevorrichtung

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). 

Vorteile dieser Anordnung sind das Fehlen von bewegten Teilen im Bohrloch und eine Aufstellung der Kreiselpumpe nach Belieben. Nachteilig ist dabei der schlechtere Gesamtwirkungsgrad des Pumpenaggregates gegenüber Bohrlochpumpe oder Unterwassermotorpumpe

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

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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

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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: 

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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 (Q T /Q n) ablesen. 

Da der Nutzstrom (Q n) ebenfalls gegeben ist, ist es möglich, auch den Treibstrom (Q T) und die überschlägigen Auslegungsdaten der Kreiselpumpe zu errechnen. siehe Abb. 3 Tiefsaugevorrichtung

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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.

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Die Förderhöhe (H) der Kreiselpumpe ist : 

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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 Q T / Q n und H T / H n 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.

Topfgehäusepumpe

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

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Der mit einem Saugstutzen und Druckstutzen 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. 

Bei einer Demontage der Pumpe kann somit das Topfgehäuse mit den Rohrleitungen und dem Pumpenfundament verbunden bleiben. Häufig ist bei der Höchstdruckpumpe das Topfgehäuse auch in der Rohrleitung eingeschweißt. Topfgehäusepumpen sind mehrstufige Pumpen in horizontaler Bauweise. Sie finden als Höchst- und Hochdruckpumpe, insbesondere als Kesselspeisepumpe, Verwendung.

Torsionsdynamometer

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).

Totzeit

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.

Tragflügeltheorie

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 (siehe Potenzialströmung) 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.

Trenntransformator

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.

Tribologisch

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.

Trockenkühlung

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. 

Alternative Kühlarten sind die Hybrid- und Nasskühlung

Direkte Luftkühlung 

  • Das Verfahren der direkten Luftkühlung benutzt zur Kühlung und Kondensation des in einem geschlossenen Kreislauf befindlichen Dampfs ausschließlich Luft. Die Kühlwasserpumpen entfallen 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.

Trockenlauf

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 (siehe Luftsackbildung) 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.

Trockenlaufschutz

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.

Trägheitsmoment

Das Trägheitsmoment (J) ersetzt oft das Schwungmoment (mD2). Für beide gilt die Einheit kg/m²: 

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Daraus folgt für das Trägheitsmoment (J) bezüglich einer durch den Kreismittelpunkt gehenden Drehachse, die senkrecht zur Kreisebene steht:

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Turbinenbetrieb

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 und Schwingungen 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

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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

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Es ist technisch einfach und wirtschaftlich günstig, die zurückgewonnene Energie über einen als Generator betriebenen Asynchronmotor 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

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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)). 

Diese Aussage stimmt nicht für axiale Hydrauliken, bei denen sich die Menge durch größere Drehzahl vergrößern lässt und umgekehrt. Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass sehr schnell der Wirkungsgrad in die Knie geht. In Abhängigkeit von der spezifischen Drehzahl verändern sich die Positionen der Leerlauf- und Festbremskennlinien LLK resp. FBK. Mit zunehmender spezifischer Drehzahl wird auch die Turbinenkennlinie steiler.

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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

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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 

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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 Q T (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.

Turbulente Strömung

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.