Wasserstrahlpumpen zur Förderung von Flüssigkeiten

82 Pages·1958·3.959 MB·German

by  Dr. techn. Ferdinand Schulz, Dr. techn. Karl Heinz Fasol (auth.)

Wasserstrahlpumpen
zur Forderung von Fliissigkeiten
Von
Dr. techno Ferdinand Schulz
Professor an der Technischen Hochschule, Wien
und
Dr. techno Karl Heinz Fasol
Assistent an der Technischen Hochschule, Wien
Mit 60 Textabbildungen
Springer-Verlag Wien GmbH
1958
Aile Remte, insbesondere das der Obersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten
Ohne ausdriicldiche Genehmigung des Verlages
ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus
auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie)
zu vervielfiiltigen
ISBN 978-3-211-80497-1 ISBN 978-3-7091-2307-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-2307-2
© by Springer-Verlag Wien 1958
Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag in Vienna 1958.
Vorwort
Das Anwendungsgebiet der Strahlapparate in vielen Industriezweigen
ist sehr groB. Wenn man von einigen ausfUhrlichen Aufsatzen absieht,
sind in der technischen Literatur dennoch nur sparliche Angaben zu fin
den, nach denen es moglich ist, Wasserstrahlpumpen zur Forderung von
Flussigkeiten richtig zu dimensionieren. Diese Lucke in der Literatur zu
schlieBen, ist die Aufgabe dieses Buches, mit desaen Erscheinen einem oft
geauBerten Wunsch der Praxis nachgekommen wird.
Del' erste Schritt in diesem Sinne wurde im Jahre 1951 mit der
Herausgabe der Broschure: "Modellversuche fUr Wasserstrahl-Wasser
pumpen, 1. Versuchsstufe"g gemacht. Die Nachfrage nach diesel' Arbeit
war so groB, daB bereits im Jahre 1952 eine zweite Auflage gedruckt
werden muBte, die ebenfalls nach kurzer Zeit vergriffen war. Diese Bro
schure war im Buchhandel nicht erhaltlich und daher der Offentlichkeit
nur wenig zuganglich. Wie zahlreiche Zuschriften bewiesen haben, war
so
das Interesse an dieser Forschungsarbeit aber groD, daB der Ent
schluB nicht schwer fiel, die Materie in Buchform wesentlich erweitert
und vervollstandigt zu veroffentlichen.
Den AnstoB, die Strahlapparate einer so umfassenden experimentellen
Priifung zu unterziehen, gab im Jahre 1949 ein zunachst beschrankter
Forschungsauftrag der Osterreichischen Bundesbahnen (OBB), nachdem
Herr Oberbaurat Dipl.-Ing. A. RUTTNER den Vorschlag gemacht hatte,
ein mit GroBejektoren ausgerustetes Pumpwerk zu errichten. Es soUten
die oberhalb eines Stausees zu fassenden Niedersehlagsmengen als Treib
wasser dienen, urn die unterhalb des Sees gefaBten Gewasser diesem zu
zuheben.
Der erste Teil der in diesem Zusammenhang erforderlichen Versuche
wurde mit Luft durchgefUhrt und die Ergebnisse in der oben erwahnten
Broschiire zusammengefaBt. Bald darauf wurde die Fortfiihrung der Ver
suche mit Wasser projektiert, urn u. a. das Verhalten bei hohen Driicken
und vor allem auch bei Kavitation studieren zu konnen. Ein zweiter For
schungsauftrag der OBB lei tete diese Arbeiten ein.
Die Schwierigkeiten, die sich dem Vorhaben entgegenstellten, waren
betrachtlich. Wegen der geforderten hohen Drucke konnten die Versuche
nicht im Hydrodynamischen Laboratorium des Institutes fUr Wasser
kraftmaschinen und Pumpen an der Technischen Hochschule Wien durch
gefUhrt werden. Es muBte daher ein geeigneter Ort in einem Wasserkraft
werk ausfindig gemacht werden. Er fand sich im Kraftwerk Enzinger
boden der OBB, das sich fUr die Errichtung einer Versuchsanlage he
stens geeignet erwies und fUr dies en Zweck bereitgestellt wurde. Beson-
IV Vorwort
derer Dank gebiihrt den Herren Hofrat Dipl.Ing. H. SCHMIDT und
OberbaUl'at Dipl.-Ing. F. LACKNER. Die Besoo.affung der Versuchsanlage
wurde ebenfaUs mit Hilfe der OBB ermoglicht, die aUe Rohrleitungen
und den Versuoo.sejektor beisteUte. Die fehlenden Armaturen wurden von
der Osterreioo.isoo.en ArmaturengeseUschaft leihweise zur Verfiigung gc
ste11t, wofiir Herm Direktor Dipl.-Ing. R. LIEBL bestens gedankt sci.
Die teilweise Finanzierung der Personalkosten fiir die VersuchsdurcMiih
rung, die wegen der groBen Entfernung von Wien erheblich waren, wurde
mit Unterstiitzung verschiedener Kraftwerksgese11schaften ermoglicht. Be
sonders gedankt sei hier Herm Direktor Dipl.-Ing. Dr. h. c. A. AMMANN
der Illkraftwerke A. G., Herm Direktor Prof. Dr. O. VAS der Osterreichi
schen ElektrizWitswirtschafts-A. G. und Herm Direktor Dipl.-Ing. E. WER
NER der Osterreioo.isoo.en Draukraftwerke A. G.
Die Versuchsarbeiten wurden im Sommer 1954 begonnen und im
Herbst 1955 beendet. Sie konnten nur in den Sommermonatcn durcllge
fiihrt werden, weil der Versuchsstand im Freien aufgebaut war und wegen
der Hohenlage des Kraftwerkes (1470 m ii. d. M.) die Frostgefahr nur
eine kurze Arbeitsperiode erlaubte.
Gedankt sei auch noch unserem Mitarbeiter, Herm Dr. H. BOHM
RAFFAY fiir viele wertvo11e Hinweise und Anregungen und schlieBlich
dem Springer-Verlag fiir die rasche Drucklegung und sorgfaltige Aus
fiihrung des Buoo.es.
Wien, April 1958 Die Verfasser
Inhaltsverzeichnis
Seite
I. Einleitung 1
2. Theoretische Untersuchungen 4
2.1 Berechnungsverfahren 4
2.2 Kennlinien . . 7
2.3 Nullforderung 9
2.4 Wirkungsgrad 12
2.5 Kavitation .. 15
3. Versuchseinrichtungen del' Luftversuche . 19
3.1 Versuchsanlage ...... . 19
3.2 Strahlapparat ...... . 20
3.3 lVleBgerate und MeBverfahren 24
3.31 DurchfluBmessungen 24
3.32 Staugerat 25
3.321 Beschreibung 25
3.322 Eichung 26
3.33 Druckmessungen . . 2H
4. Versuchseinrichtungen der Wasserversuche 30
4.1 Versuchsanlage 30
4.2 Strahlapparat 33
4.3 MeBgerate " 34
5. Versuchsergebnisse 35
5.1 Ausmessung des Mischfeldes 35
5.11 Beeinflussung der MeBergebnisse 35
5.111 EinfluB der Schaftstarke des Staugerates auf die Stro-
mung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.112 EinfluB der Wandnahe des Staugerates 36
5.1I3 EinfluB der Radialstromungen 36
5.12 Strahlapparat mit Zylinderdiise 36
5.13 Strahlapparat mit Konusdiise 39
5.14 Strahlapparat mit Vierfachdiise 41
5.15 Strahlapparat mit Neunfachdiise 44
5.16 Strahlapparat mit Fiinffachdiise 45
5.17 VerI auf der Wanddriicke in Abhangigkeit vom Druckverhaltnis 46
5.18 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48
VI Inhal tsverzeichnis
Seite
5.2 Kennlinienverlauf bei verschiedener Gestaltung des Strahlapparates 49
5.21 Einflu3 der Treibdiisenform 49
5.22 Einflu3 der Mischkammerlange 50
5.23 EinfluI3 des Treibdiisenabstandes 52
5.24 EinfluI3 der Fangdiisenform 53
5.25 Einflu13 von Unsymmetrien 54
5.3 Optimaler Kennlinienverlauf und optimale Hauptabmessungen von
Strahlapparaten ............................ 56
5.4 Beeinflussung des Kennlinienverlaufes durch die Einbauverhaltnisse 61
5.5 Kavitationsverhalten . : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 64
5.51 Bestimmung der Kavitationsgrenze . . . . . . . . . . . . . .. 64
5.52 Wirkungsgradverlauf und Betriebsverhalten im Kavitations-
bereich ..................... 66
[j .53 Materialverschlei13 bei Betrieb mit Kavitation 69
5.54 Zusammenfassung 70
6. Zablenbeispiel 70
Literaturverzeichnis 74
Sachverzeichnis 75
1. Einleitung
Die Anordnung einer Wasserstrahl-Wasserpumpe (Strahlapparat oder
Ejektor) ist in Abb. 1 schematisch dargestellt. Die Wirkungsweise eines
Strahlapperates besteht darin, daB der Treibstrom yom sekundlichen Ge
wicht G1, der als Strahl aus der Treibdiise kontinuierlich austritt, einen
Teil seiner Encrgie an den Saugstrom yom sekundlichen Gewicht G iiber
2
tragt, wobei sich beide Strome in der Mischkammer vereinigen. Das Gemisch
+
(G1 G2) verlaBt den Strahlapparat durch einen Diffusor. Die wichtigsten
Bauelemente des Strahlapparates sind also die Treibdiise T, die Fangdiise
F, die Misehkammer M und
der Diffusor D. In dem Prin
zipbild sind die Reibungsver
luste in den Rohrleitungen
vernachlassigt, weshalb die ein-
getragenen Hohen H1 bis H3 ~
als Energiehohen unmittelbar
am Ejektor aufzufassen sind.
Die Energiehohe H2 kann na
tiirlich auch negativ sein.
Das Prinzip des Ejektors
ist altbekannt und wird seit
langem fiir die verschieden- T
sten Zwecke verwendet. Eine
der bekanntesten Anwendun- Abb. 1. Prinzip einer Ejektoranlage
gen ist die Tiefsaugevorrich
tung, die als Zubringerpumpe fUr kleinere Kreisel}:lumpen dient, urn deren
sonst begrenzte Saughohen zu vergroBern. Die Strahlpumpe wird am FuB
der Saugleitung angebracht und durch einen von der Kreiselpumpe abge
zweigten Teilstrom betrieben. Durch dies en wird die Forderfliissigkeit an
gesaugt und gemeinsam mit dem Treibstrom der Pumpe zugefiihrt. Kon
struktive Angaben iiber diese Vorrichtung finden sich in der einschlagigen
Literatur iiber Kreiselpumpen.
Weiters werden Strahlpumpen derzeit in der Hauptsache bei voriiber
gehenden Anordnungen oder dort angewandt, wo die Aufstellung kom
plizierter Pump aggregate zu kostspielig ist oder deren einwandfreie War
tung zu hohe Anforderungen an das verfUgbare Personal stellt. Der ein
fache Aufbau der Strahlpumpe und das Fehlen beweglicher Teile ist be
sonders in jenen Fallen vorteilhaft, in den en die Wartungsfreiheit im Be
trieb wiinschenswert ist. Das Auspumpen von Kellern, Baugruben, Schiich
ten, das Siimpfen oder Abteufen im Bergbau, das Entwiissern bei Kanal-
Schulz und Fasol, Wasserstrahlpumpen
2 Einleitung
und Tunnelbauten sind haufige Anwendungsfalle, weil das Fordern ver
schmutzter und sandhaltiger Wasser den Betrieb der Strahlpumpe wegen
des Fehlens beweglicher Bau
teile nicht erschwert. Fiir diese
Zweme wurden z. B. von der
Firma Korting die verschieden
sten Ejektoren gebaut, wovon
Abb. 2. Wasserstrahlpumpe der Firma in den Abb. 2 und 3 Beispiele
Korting alterer Typen wiedel'gegeben
sind. Der Ejektor nach Abb. 3
ermogliclJ.t es, die Treibmenge mittels Regeldiise zu verandern.
Eine Reihe weiterer Anwendungen des Ejektorprinzipes sind in einer
Arbeit von VOGEL12 zusammengestellt.
Den ersten SclJ.ritt, Wasserstrahlpumpen groBeren als bis dahin iib
lichen AusmaBes zu verwenden, hat STEINWENDER8, 11 getan, unter des-
Abb. 3. Wasserstrahlpumpe der Firma Korting
sen Leitung die Wiener Wassel'werke im Bereich der 1. und 2. Wiener
Hochquellenleitung mehrere Ejektoren eingebaut haben. Mit Hilfe diesel'
Strahlpumpen, deren Treibwasser hoher liegende Quellen liefern, konnen
Abb. 4. Grundwassererfassung im BereidI der 1. Wiener HodIquellenleitung
jetzt tiefer als der Sammelkanal liegende Quellen und Grundwasser ge
faBt werden, die seinerzeit beim Bau der Anlagen nicht verwendet werden
konnten. Die Abb. 4, die einer Veroffentlichung von STEINWENDER ent-
Einleitung 3
nommen ist, zeigt eine Grundwasserfassung im Bereich der 1. HochqueIlen
leitung. Die TreibhOhe betragt 30 m und die ForderhOhe 9 m. Die Treib
menge wird mit 40 lis und die Saugmenge mit 25 lis angegeben. AIle An
lagen dieser Art sind seit Jahren ohne jede Wartung in Betrieb. Die
Wirkungsgrade der einzelnen Ejektoren liegen nach STEINWENDER zwi
schen 20 und 25 °/0.
Die altere Literatur beschrankt sich meist auf Hinweise iiber Ver
wendungszwecke und auf Angabe von Erfahrungswerten fiir die Di
mensionierung. Fallweise werden auch Berechnungsverfahren angege
ben, deren Ergebnisse aber mit Versuchen nur unbefriedigend iiberein
stimmen. Es fallt auf, daB die Form der Ejektoren stromungstechnisch
nicht besonders giinstig ist und sich im Laufe der Zeit auch nicht we sent
lich geandert hat. Die angegebenen Wirkungsgrade sind daher entspre
chend niedrig und bewegen sich im allgemeinen zwischen 10 und 25 %.
An neueren, sehr griindlichen Forschungsarbeiten sind vor allem jene
von FLUGEL3,4 und von VOGEL10, 13 zu erwahnen. Die von dies en Forschern
untersuchten Ejektoren weisen stromungstechnisch einwandfreie Formen
auf und die erreichten Wirkungsgrade liegen zwischen 33 und 37 °/0. In
der Arbeit von VOGEL13 sind auch bereits Kavitationsuntersuchungen be
schrieben, die iiber den Eintritt der Kavitation und iiber das Betriebs
verhalten im Kavitationsgebiet AufschluB geben.
Der bisherige Bau von Strahlapparaten beschrankt sich aber auf
Apparate verhaltnismaBig kleiner Leistungen, und in der Literatur fin
den sich keine Hinweise auf die Moglichkeit, GroBejektoren zu bauen, die
bei Treibdriicken von etwa 20 atii und mehr arbeiten und Forderstrome
bis zu mehreren Kubikmetern pro Sekunde bewaltigen konnen.
Der Bedarf an solchen Ejektoren ist vor allem beim Bau von Spei
cherkraftwerken gegeben. Zur Fiillung groBer Speicherbecken ist es nam
lich haufig notwendig, auBer dem Haupteinzugsgebiet auch benachbarte
Einzugsgebiete in Form von Bachbeileitungen heranzuziehen. In Fallen,
in welch en es nicht moglich ist, den Bach in einer solchen Hohe zu fassen,
daB er unter natiirlichem Gefalle dem Speicher zuflieBen kann, miissen
Pumpwerke vorgesehen werden. 1m Hochgebirge ist allerdings die An
lage iiblicher Pumpwerke, deren ordnungsgemaBer Betrieb dauernde
Uberwachung und Wartung verlangt, dann nicht moglich, wenn der Auf
stellungsort nur sehr schwer oder wahrend eines Teiles des Jahres iiber
haupt nicht zuganglich ist. In diesem Fall sind vollautomatische Pump
werke erforderlich, die mit Ejektoren ausgeriistet werden konnen, wenn
geniigend Treibwasser aus einer hoher gelegenen Fassung zur Verfiigung
steht.
Entsprechend dieser Forderung nach dem Bau von GroBejektoren
ist es notwendig, die aufgezeigte Liicke in der Forschung zu schlieBen.
Urn die in dies em Zusammenhang auftretenden Probleme zu klaren und
verlaBliche Unterlagen zu schaffen, die gestatten, fiir jeden Betriebs
fall den bestmoglichen Ejektor zu dimensionieren, wird die Frage nach
auBerster Leistungsfahigkeit von Ejektoren sowie betriebliche Fragen,
insbesondere im Hinblick auf das wartungsfreie Arbeiten, studiert und
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