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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

Zulaufraum vor einer radialen Kreiselpumpe für störungsfreie Zuströmung zum Laufrad mit zentraler Leitfläche Abb.1 Zulaufbedingung: Zulaufraum vor einer radialen Kreiselpumpe für störungsfreie Zuströmung zum Laufrad mit zentraler Leitfläche (Schiffspumpe mit Vorsatzläufer) Einlauf-Beschleunigungskrümmer für störungsfreien Zulauf aus einer 90°-Umlenkung Abb. 2 Zulaufbedingung: Einlauf-Beschleunigungskrümmer für störungsfreien Zulauf aus einer 90°-Umlenkung Beispiele für Einlaufkammern Abb. 3 Zulaufbedingung: Beispiele für Einlaufkammern

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 Geschwindigkeitsvertei-lung 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

Wirbelklassifizierung nach HECKER Abb. 4 Zulaufbedingung: Wirbelklassifizierung nach HECKER

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 EinlaufkrümmerAbb. 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.

Zulaufbedingung