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Zahnradgetriebe

Die Zahnradgetriebe eignen sich bei Pumpen, um bei größeren Leistungen eine optimale (hinsichtlich Bauaufwand und Förderdaten) Pumpenbauart zu erreichen. Dabei muss die Drehzahl der Pumpe unabhängig von der Drehzahl der Antriebsmaschine gewählt werden. 

Je nach dem erforderlichen Übersetzungsverhältnis werden ein- oder mehrstufige Getriebe angewendet. siehe Abb.1 und 2 Zahnradgetriebe für Pumpen

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Werden die Laufräder (oder das einzelne Laufrad) der Pumpe direkt auf der Getriebeabtriebswelle befestigt, dann bilden Getriebe und Arbeitsmaschine ein kompaktes Aggregat wie bei der Block- und Getriebepumpe

Werden hohe Übersetzungsverhältnisse und Ab- sowie Antrieb in einer Flucht gefordert, so bietet sich die Verwendung von Planetengetriebe siehe Abb. 3 Zahnradgetriebe für Pumpen und Sterngetrieben siehe Abb. 4 Zahnradgetriebe für Pumpen an, deren rotationssymmetrische Gehäusegeometrie gut zu Strömungsmaschinen und Elektromotoren passt. Ähnliches gilt für hohe Untersetzungsverhältnisse wie bei der Schöpfwerkspumpe.
 

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Vor allem bei hohen Zahnradumfangsgeschwindigkeiten ist aus Gründen der Geräuschentwicklung (siehe Geräusch bei Pumpen und Anlagen) eine hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich.

Zeit

Zeit (t) ist eine physikalische Größe. Sie reicht von der Vergangenheit über die Gegenwart bis in die Zukunft. Die SI-Einheit für Zeit ist die Sekunde (s).

Zulaufbedingung

Um den einwandfreien Betrieb einer Kreiselpumpe sicherzustellen, muss die Zulaufströmung zum Laufrad möglichst störungsfrei und gleichförmig sein. 

Bei der spezifisch langsamlaufenden Radialpumpe beruht die Energieübertragung von den Schaufeln auf das Fördermedium auf dem Zentrifugaleffekt. Dagegen bei den spezifisch schnellläufigen Propellerpumpen nur auf der Strömungsumlenkung an den Schaufeln. Daher reagieren Pumpen höherer spezifischer Drehzahl auf Störungen in der Zulaufströmung empfindlicher als Pumpen mit niedrigerer spezifischer Drehzahl. Die Bedingungen für den störungsfreien Zulauf sind je nach Laufradbauform unterschiedlich und entsprechend streng zu beachten. Die drei wesentlichen Kriterien sind Drallfreiheit, gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung und Wirbelfreiheit. 

Drallfreiheit 

Der Drall (siehe Drallströmung) auf der Laufradeintrittsseite bedeutet eine Störung der Soll- Zuströmung zum Laufrad, wenn dieser nicht zur Regelung der Förderhöhe oder Verbesserung des Saugverhaltens der Pumpe (siehe Vorsatzläufer) eingesetzt wird. Diese drallbehaftete Strömung im Eintrittsquerschnitt der Pumpe entsteht meist durch Asymmetrien im Zulauf (wie bei der Quer- oder Krümmerströmung und asymmetrischen Ablösung) oder durch Teillastwirbel (siehe Betriebsverhalten). 

Stimmt die Richtung der Umfangskomponenten im Eintrittsquerschnitt der Pumpe mit dem Pumpendrehsinn überein, so handelt es sich um einen Gleichdrall. Mit wachsendem Gleichdrall (größere Umfangskomponenten der drallbehafteten Strömung) nehmen bei konstantem Förderstrom die Förderhöhe, die Leistungsaufnahme und der Pumpenwirkungsgrad ab. Die Ursache hierfür liegt in der gegenüber der Auslegung geringeren Umlenkwirkung der Laufschaufeln. Dagegen nimmt mit wachsendem Gegendrall bei konstantem Förderstrom die Förderhöhe bis zur Überlastung der Schaufeln (Ablösung auf der Schaufelsaugseite, mechanische Schwingung) zu. Der Pumpenwirkungsgrad fällt jedoch schneller ab als bei Gleichdrall. Zudem erhöht Gegendrall auch die Leistungsaufnahme und kann zur Überlastung des Antriebs führen. 

Die Bestimmung der Störgröße "Drall" in einer Zuströmung erfolgt entweder durch Geschwindigkeitsmessungen nach Größe und Richtung mit Sonden, durch Hitzdraht- oder Lasermesstechnik oder (meist in der Modelltechnik) durch ein im Saugstutzen angeordnetes drehzahlüberwachtes Rotameter, ein Flügelrad in der Größe des Laufrades. 

Eine Bestimmung des Dralls ist ebenfalls mittels CFD-Rechnungen möglich. 

Zum Abbau bestehender Drallkomponenten sind Wabengleichrichter bestens geeignet. Aber auch einfache Leitwände in Form von Fahnen, Einlaufkreuzen und zentrale Längsleitflächen (Splitter) erfüllen hier gute Dienste.
siehe Abb. 1 bis 3 Zulaufbedingung

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Nach Versuchen mit vordrallgeregelten Pumpen (spezifische Drehzahlen ns von 70 bis 200 min-1) stellen die Umfangskomponenten der Strömungsgeschwindigkeit am äußeren Rand des Saugstutzens betragsmäßig bei unter 7 % der entsprechenden Axialkomponenten keine wesentliche Störung dar. Dies entspricht einem Drallwinkel von ca. 4°. Der angegebene Prozentsatz ist für Pumpen mit spezifischen Drehzahlen größer als 200 min-1 entsprechend der strengeren Beachtung der Zulaufbedingungen zu verringern. 

Eine völlige Drallfreiheit im Zulauf der Pumpe ist aber praktisch nicht zu erreichen. 

Gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung 
Bei der Auslegung eines Pumpenlaufrades wird meist eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in einem zylindrischen Saugrohrteil vorausgesetzt. Darunter sind alle Profile der axialen Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem Rechteckprofil und dem Profil bei voll ausgebildeter turbulenter Strömung im Rohr zu verstehen. Die Verzerrungen der gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung entstehen vor allem durch die Umströmung störender Einbauten (Nachlaufdellen) sowie Strömungsumlenkungen und -ablösungen jeglicher Art.
siehe unter Einlaufkrümmer Abb. 2

Je mehr das Kriterium der gleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung verletzt ist, desto weniger erreicht die Pumpe die verlangten Förderdaten, da die einzelnen Schaufeln im Bereich der Geschwindigkeitsverzerrungen unter Teil- oder Überlastbedingung angeströmt werden. Ist die Ungleichmäßigkeit der Geschwindigkeitsverteilung nicht rotationssymmetrisch, so treten durch die instationäre Strömung um die Schaufeln mechanische Schwingungen auf. Gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt verteilte Widerstände in Form von Sieb- oder Lochplatten, eine ungestörte Rohrstrecke oder eine kräftige Beschleunigung durch eine Düse in ausreichender Länge wirken vergleichmäßigend auf eine verzerrte Geschwindigkeitsverteilung. Verringert sich durch diese Maßnahme der NPSH-Wert der Anlage NPSHA auf ein aus Gründen der Kavitation unzulässiges Maß, so bleibt als wirksame (oft aber auch teuerste) Abhilfe die strömungstechnische Verbesserung des Zulaufraumes. So führen Verbreiterungen zu geringeren Geschwindigkeitsspitzen und Verlängerungen zum besseren Abbau von Nachlaufdellen. Die Umströmungen und Umlenkungen sind zu vermeiden oder in ihren Wirkungen zu minimieren. Rotationssymmetrische Abweichungen der Axialgeschwindigkeit vom volumetrischen Mittelwert von mehr als ± 10 % und nichtrotationssymmetrische Abweichungen der örtlichen Axialgeschwindigkeit auf einem Kreisringsegment von mehr als ± 5 % werden allgemein als unzulässig angesehen. Jedoch können die entsprechenden Prozentsätze von ± 5 % bei Pumpen mit sehr hoher spezifischer Drehzahl (ns > 200 min-1) auch schon unzulässig hoch sein. 

Wirbelfreiheit 
Wirbel entstehen in den Scherströmungen und an Stellen mit starken Gradienten im Geschwindigkeitsprofil. Diese können in der Zuströmung bspw. durch Ablösung, Verzögerung, Beschleunigung, Abzweigung und Umströmung von Einbauten verursacht werden. Dabei wird zwischen Oberflächen- und Unterwasserwirbeln unterschieden, zu deren Beurteilung z. B. die Klassifizierung nach HECKER benutzt wird. Im Wirbelkern kann bei entsprechend großer Rotation eine Dampf-/Gasbildung auftreten.
siehe Abb. 4 Zulaufbedingung

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Wirbel, die bis zum Pumpeneintritt reichen, beeinträchtigen die Leistungsdaten und das Betriebsverhalten der Pumpe. Dazu gehören insbesondere luftziehende Oberflächen- und luft-/gasbeladene Unterwasserwirbel. 

Drall kann zu Änderungen von Leistung, Förderhöhe und Förderstrom führen. Die Wirbel sind oft instationär und können teilweise durch schwankende Leistungsdaten erhöhte Schwing- und Geräuschwerte, die mit entsprechender mechanischer Beanspruchung des Laufrades oder der Laufschaufeln einhergehen, und der Luft-/Gasanteil zudem auch reduzierte Leistungsdaten sowie einen schlechteren Wirkungsgrad verursachen. 

Die Vermeidung von luftziehenden Wirbeln und luft- oder gasbeladenen Unterwasserwirbeln ist die wichtigste Voraussetzung für einen störungsfreien Dauerbetrieb einer Pumpe. In der Praxis werden daher Oberflächenwirbel ab Typ 3, sowie Unterwasserwirbel vom Typ 2 und 3 (nach HECKER) nicht zugelassen. Als Abhilfe gegen luftziehende Einlaufwirbel sind diverse Maßnahmen zu empfehlen (siehe Einlaufkammer). 

Abhilfe gegen luftziehende Oberflächenwirbel 

  • Verbesserung der Zuströmung zur Vermeidung von Rotation und Gradienten im Geschwindigkeitsprofil 
  • Vergrößern der Überdeckung (h1) siehe Abb. 3 Zulaufbedingung
  • Abdecken des luftwirbelgefährdeten Saugwasserspiegels durch ein Floß 
  • Installation drallverhindernder Leitflächen im Bereich des luftwirbelgefährdeten Saugwasserspiegels 

Abhilfe gegen Unterwasserwirbel 

  • Verbesserung der Zuströmung zur Vermeidung von Rotation und Gradienten im Geschwindigkeitsprofil 
  • Einsatz von Einlaufkegeln mit Fahnen siehe Abb. 1 Einlaufkammer 
  • Beeinflussung der wandnahen Strömung an den betreffenden Wänden durch Rippen oder ähnliche Einbauten 

Standardisierte und in Modellversuchen optimierte Einlaufkrümmer und -kammern bieten die besten Voraussetzungen für möglichst drallfreie und gleichmäßige Zuströmung zur Vermeidung von Wirbeln. siehe Abb. 3 Zulaufbedingung

Bei Pumpen, die in Rohrleitungen eingebaut sind, ist die Zulaufleitung möglichst ohne Störstellen vor der Pumpe auszuführen. Krümmer, Armaturen und Rohrverzweigungen können unzulässig Zulaufbedingungen zur Pumpe verursachen. Mehrere Krümmer hintereinander und/oder Krümmer außerhalb der Symmetrieebene sind zu vermeiden. Bei ungünstiger Anordnung kann sich dadurch das Betriebsverhalten der Pumpe stark verändern. 

Bei doppelflutigen Pumpen sind die Zuströmbedingungen besonders zu beachten. Durch die unsymmetrische Krümmerabströmung (bei Krümmern außerhalb der Symmetrieachse) werden die beiden Laufradhälften ungleich beaufschlagt, d. h. die Radhälften arbeiten bei unterschiedlichen Lastpunkten. In einem solchen Fall können die negativen Auswirkungen auf NPSHR, Schwingungsverhalten und Lagerbelastung stärker ausfallen als die Auswirkung auf die Pumpenkennlinie. 

Sind Störstellen vor der Pumpe anlagenseitig nicht zu vermeiden, muss die Zuströmung auf ein zulässiges Maß vergleichmäßigt werden. Dies lässt sich u.a. durch eine genügend lange gerade Rohrstrecke (ca. 5 bis 8 mal Nennweite DNs zwischen Pumpe und Störstelle), Krümmer mit großem Krümmungsradius, Krümmer mit Umlenkrippen siehe unter Einlaufkrümmer Abb. 3 und Beschleunigungsdüsen erreichen. 

Beispiele störungsfreier Zuströmung 

  • Der Zulaufraum einer Schiffspumpe mit Vorsatzläufer ist relativ breit und lang konzipiert (Umlenkung bei geringer Strömungsgeschwindigkeit). Er hat zusätzlich noch eine Längsleitwand ("Splitter") um größere Drallkomponenten zu vermeiden. siehe Abb. 1 Zulaufbedingung
  • Störungsfreie Zuströmung in einem Einlaufkrümmer mit Kreisquerschnitten erzielt man, wenn in der 90°-Umlenkzone die Strömungsgeschwindigkeit auf etwa das 2 bis 4-fache der Rohrströmung gesteigert wird siehe Abb. 2 Zulaufbedingung. Derartige Beschleunigunskrümmer werden auch mit Erfolg aus Beton mit Übergangsquerschnitten vom Rechteck zum Kreis ausgeführt. siehe unter Kühlwasserpumpe Abb. 6
  • Empfehlenswerte Ausführungen von Einlaufkammern für störungsfreie Zuströmung zu vertikalen Pumpen zeigt Abb. 3 Zulaufbedingung. Die überdeckte Einlaufkammer mit Einlaufkegel und "Splitter" lässt auch eine Queranströmung zur Pumpe zu, z. B. Notbetrieb bei Ausfall der zugeordneten Siebbandanlage.

Zustandserfassung

Bei der Zustandserfassung werden über Sensoren die wichtigsten Messgrößen zur Beurteilung des Betriebszustandes eines Aggregats erfasst, ausgewertet und dokumentiert. Bei der Auswertung wird zunehmend spezielle Software verwendet, um möglichst sicher und genau den Betriebszustand zu erfassen und Informationen zu liefern, um den bestimmungsgemässen Betrieb zu gewährleisten (siehe auch Monitoring).

Zweiphasenströmung

Die Zweiphasenströmung ist eine Strömung, in der zwei verschiedene Aggregatzustände eines Stoffes oder zweier verschiedener Stoffe nebeneinander vorhanden sind. Die möglichen Kombinationen sind gasförmig/flüssig (siehe Gasgehalt im Fördermedium), gasförmig/fest und flüssig/fest (siehe Feststofftransport). 

Beispiele für die Zweiphasenströmung sind Transportprozesse eines Mediums in einem anderen (z. B. hydraulische oder pneumatische Förderung) oder die oft unerwünschte Mitführung ausgeschiedener Gas- oder Dampfblasen (siehe Kavitation) in Flüssigkeitsströmungen. 

Bei der Zweiphasenströmung treten zu den Strömungsparametern wie REYNOLDS-Zahl weitere Einflussgrößen hinzu. Eine wesentliche Einflussgröße ist dabei die Konzentration, die als Volumen- oder Massenverhältnis der Phasen angegeben werden kann. 

Bei der Zweiphasenströmung sind verschiedene Strömungs- oder Phasenverteilungsformen möglich. Diese werden von der Konzentration der Phasen, dem Phasenschlupf (Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten beider Anteile) sowie der Einbaulage einer Rohrleitung (horizontal, vertikal) beeinflusst. Mögliche Strömungsformen einer gasförmig/flüssigen Zweiphasenströmung sind z. B. die Blasen-, Pfropfen- und Filmströmung. 

Zur Ermittlung des Druckhöhenverlustes einer Zweiphasenströmung in geraden Rohrleitungen sind verschiedene, überwiegend empirische Berechnungsformeln in Gebrauch. Sie berücksichtigen z. T. auch den Einfluss der Strömungsform und der Einbaulage (horizontal, vertikal). 

Bei einer gasförmig/flüssigen Zweiphasenströmung ist zu unterscheiden, ob die gasförmige Phase aus dem dampfförmigen Aggregatzustand der gleichfalls vorhandenen Flüssigkeit (z. B. Wasser/Wasserdampf) oder aus einem anderen Stoff (z. B. Wasser/Luft) besteht. Im ersten Falle können Phasenumwandlungsvorgänge wie Verdampfung und Kondensation eine Rolle spielen. 

Aufgrund unterschiedlicher Dichte beider Phasen kann in einer Zweiphasenströmung bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit unter dem Einfluss der Schwerkraft eine Phasenseparation in Form von Absetzen von Feststoffen oder Aufsteigen von Blasen erfolgen. Diese Separation tritt in verstärktem Maße unter der Wirkung von Fliehkräften (z. B. in Krümmern, Laufrädern) und auch bei größeren Strömungsgeschwindigkeiten auf, wobei die Bestandteile mit der kleineren Dichte jeweils zum Mittelpunkt der Krümmung oder Drehung gerichtete Kraftwirkungen erfahren. 

Dieser Effekt kann zum Abreißen der Förderung (siehe Betriebsverhalten) einer Kreiselpumpe bei gasförmig/flüssiger Zweiphasenströmung führen. Bei der flüssig/festen Zweiphasenströmung, die abrasive Feststoffpartikel (Abrasion) enthält, ist der mögliche Verschleiß an strömungsführenden Teilen zu beachten. Dieser tritt verstärkt im Bereich gekrümmter Stromlinien auf (Feststofftransport, Stoffförderung). 

Die auf dem Auftrieb beruhende Förderwirkung der Zweiphasenströmung eines Wasser-Luft-Gemisches wird in vertikalen Unterwasserrohrleitungen beim Gasmischheber (z. B. Mammutpumpe) oder als Dreiphasenströmung beim hydraulischen Feststofftransport wie bei dem Lufthebeverfahren (z. B. Airlift) genutzt (Pumpenbauart).

Zwillingspumpe

Die Zwillingspumpe ist eine Umwälzpumpe und besteht aus zwei voneinander getrennten Kreiselpumpen in einem Pumpengehäuse sowie einer im Druckstutzen untergebrachten federbelasteten Umschaltklappe. Die Pumpe kann sowohl im Parallelbetrieb (Spitzenlastzuschaltung) als auch im Einzelpumpenbetrieb (Reservebetrieb) verwendet werden. Deshalb besonders geeignet für eine Warmwasserheizungsanlage (z. B. Heizungsumwälzpumpe), bei der eine betriebsbereite Reservepumpe aus Gründen der Sicherheit vorgeschrieben oder des Komforts wegen erwünscht ist. Dabei dient eine Kreiselpumpe als Betriebs- und die andere als Reservepumpe. 

Durch eine elektrische Schalteinrichtung wird bei Ausfall der Betriebspumpe sofort die Reservepumpe in Betrieb genommen. Die zur Umschaltung notwendigen Absperrorgane (Armatur) sind bereits in das Pumpenaggregat integriert. 

Die Zwillingspumpe besitzt nur einen Pumpensaug- und -druckstutzen. Eine stufenlose Differenzdruckregelung kommt zum Einsatz, um den Förderstrom im Teillastbetrieb anzupassen. siehe Abb. 3 Heizungsumwälzpumpe


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Zyklon

Der Zyklon ist ein auf der Fliehkraftwirkung beruhendes Reinigungsgerät, mit dem Feststoffe und Flüssigkeiten aus Gasen entfernt werden können. Beim Abtrennen der Feststoffe aus einer Flüssigkeit werden Hydrozyklone verwendet. Dabei wird durch ein tangentiales Einleiten einer unter Überdruck stehenden kontaminierten Flüssigkeit in den rotationssymmetrischen Innenraum des Zyklons ein Fliehkraftfeld erzeugt. In der Folge sammeln sich schwere Teilchennahe der äußeren Wandung an, von wo sie sich nach unten über eine schlanke trichterförmige Verjüngung abführen lassen. Die gereinigte Flüssigkeit kann dann aus dem Zentrum des Zyklons nach oben geleitet werden. siehe Abb. 1 Zyklon

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Zyklone kommen bei Kreiselpumpen zum Einsatz, um leicht verschmutzte Fördermedien ohne großen Aufwand zum Zweck der Lagerschmierung (z. B. Gleitlager) oder der Sperrwasserversorgung (z. B. Wellendichtung) aufzubereiten.

Zähigkeit

Als Zähigkeit eines Werkstoffes wird die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Ausbreitung eines Risses oder Bruches bezeichnet. Diese geht bei plastischer Verformung mit einer Energieaufnahme einher. Das Gegenteil ist die Sprödigkeit.