Ihre Fragen wurden beantwortet: Vertikales Turbinensumpfdesign

Jimmy Scroggins, technischer Schulungsexperte bei Grundfos Pumps Corp. in Lubbock, Texas, ging auf unbeantwortete Fragen aus dem Webcast „Vertical Turbine Sump Design“ vom 21. Oktober 2015 ein.

F: Welche Erfahrungen haben Sie mit Vibrationsanalysetests für vertikale Turbinenpumpen gemacht, wenn der Motor an der Seite der vertikalen Pumpenbaugruppe montiert ist?

Jimmy Scroggins: In meiner mehr als 20-jährigen Erfahrung habe ich noch nie einen seitlich montierten Motor an einer vertikalen Turbinenpumpe gesehen. Ich habe horizontale Anwendungen gesehen, bei denen sowohl Motor als auch Pumpe horizontal sind, und dabei waren die Berechnungen der Membranfrequenz ziemlich einfach. Die beste Lösung wäre die Verwendung einer Finite-Elemente-Analyse (FEA), um die Eigenresonanzfrequenzen der Kombination aus Antrieb und Pumpe im Vergleich zu den Arbeitsgeschwindigkeiten zu bestimmen. Ich würde sicherstellen, dass ich über gute 3D-Modelle (IGS- oder STP-Formate) der Pumpe, des Fundaments, des Motors und der angeschlossenen Rohrleitungen mit Halterungen verfüge, um sie dem Ingenieur oder der Firma, die die FEA durchführt, zur Verfügung zu stellen (spart Zeit und Geld).

F: Was sind in den verfügbaren NPSH-Berechnungen typische Werte für Ha, Hst und Hfs, die den optimalen erforderlichen NPSH gewährleisten?

Scroggins: Diese Werte variieren stark aufgrund einer Reihe von Faktoren:

F: Welche Schritte würden Sie empfehlen, wenn Sie eine neue Pumpe in eine bestehende Anlage nachrüsten, wenn die Anlage schon seit vielen Jahren in Betrieb ist und dieselben Pumpen nicht mehr verfügbar sind?

Scroggins: Das ist eine schwierige Situation. Hoffentlich können Sie eine Materialliste – insbesondere eine Übersichtszeichnung – und alles andere erhalten, was in einem typischen Einreichungspaket enthalten wäre. Bitte beachten Sie, dass viele Pumpenhersteller seit nicht allzu langer Zeit Laufräder und Lager aus bleihaltiger Rotbronze anbieten, diese Materialien jedoch möglicherweise nicht mehr anbieten. Wenn Ihnen die Einreichungsdaten nicht vorliegen, können Sie dies als neuen Antrag behandeln und Installationsdaten anfordern, wie z. B. Sumpfabmessungen, elektrische Daten, Pumpeninformationen (um die richtigen Pumpenmaterialien zu erhalten) und etwaige spezielle Designanforderungen (parallel). Betrieb, VFD, sekundäre und tertiäre Auslegungspunkte, Absperrhöhe und Auslaufdurchflussgrenzen usw.). Viel Glück.

F: Verfügt Grundfos über eine CFD-Analysesoftware (Computational Fluid Dynamics), die Ingenieure bei der Analyse des Ansaugstrukturdesigns unterstützt?

Scroggins: Ja, das tun wir. Kontaktieren Sie Ihren Verkäufer oder Händler.

F: In welchen Fällen müssen wir eine Kanisterpumpe verwenden?

Scroggins: Dosenpumpen eignen sich hervorragend für Anwendungen mit niedrigem NPSHA und hohem Druck. Sie können (Wortspiel beabsichtigt) den NPSHA erhöhen, indem Sie einfach die Dosen-Säulen-Baugruppe verlängern, um bei Anwendungen mit niedrigem NPSH mehr Hst aus der Anwendung herauszuholen. Außerdem dient die Dose als sekundäres Druckgerät und schont bei Hochdruckanwendungen spezielle Materialien und Geometrien der Behälter (der Druck im Inneren der Dose trägt dazu bei, den von der Behälterbaugruppe erzeugten Druck auszugleichen).

F: Warum verwenden wir bei Dosenpumpen immer einen Wirbelunterdrücker als Sieb?

Scroggins: Der Platz zwischen dem Boden der Dose und der Glockenlippe ist bei einer Dosenanwendung sehr begrenzt. Ein normaler Korbfilter ist normalerweise sehr lang und so konzipiert, dass er in einen offenen Sumpf passt. Außerdem schreiben ANSI/HI und AWWA die Größe des Korbsiebs vor, was es bei Dosenanwendungen unhandlich macht. ANSI/HI ermöglicht die Verwendung eines sehr kurzen Korbsiebs in Dosenanwendungen – was Sie richtigerweise als Wirbelunterdrücker bezeichnen. Kann-Anwendungen ohne Richtschaufeln neigen dazu, dass das Pumpenmaterial während des Betriebs herumwirbelt und die Saugvorrichtung in einem Bereich versorgt, was zu hydraulischen Problemen für die Pumpe mit unterirdischen Wirbeln und Vorwirbeln führt. Der Wirbelunterdrücker unterbricht den Fluss beim Eintritt in den Pumpensaugbereich und reduziert oder eliminiert Wirbel und Wirbel (weniger Lärm, weniger Bewegungsverlust, besserer Fluss, besserer Wirkungsgrad, weniger Vibrationen usw.).

F: Welche Analyse des Pumpensumpfs wird bevorzugt: physikalische Modellierung oder CFD?

Scroggins: Wenn Geld keine Rolle spielt und genügend Zeit für ein physisches Modell vorhanden ist, ist es das Beste. Ansonsten funktioniert die CFD-Analyse sehr gut mit klaren Flüssigkeiten wie Wasser ohne suspendierte Feststoffe. Ein CFD ist nicht billig (normalerweise 5 bis 15.000 US-Dollar), aber viel günstiger als ein maßstabsgetreues Modell. Ich hoffe das hilft.

F: Was sind aus betrieblicher Sicht die häufigsten Probleme bei vertikalen Turbinensümpfen?

Scroggins: Vertikale Turbinen haben ein paar Nachteile (es tut mir weh, das zu sagen). Ein VTP erfordert jedoch viel Spielraum und die Installation oder Entfernung kann schwierig sein. Darüber hinaus kann es manchmal interessant sein, den Mindestflüssigkeitsstand zum Ansaugen, NPSH und Eintauchen einzuhalten. Da sie normalerweise lang und dünn sind, sind Vertikalpumpen außerdem anfällig für starke Vibrationen. Aber meiner Meinung nach überwiegen die Vorteile vertikaler Turbinen bei weitem ihre Nachteile.

F: Können wir bei einer vertikalen Turbinenpumpe in einem Brunnen das Brunnengehäuse als einen Sumpf betrachten?

Scroggins: Nicht ganz. Bei Brunnenpumpen erfolgt der Durchfluss in der Regel von unten nach oben. Sumpfpumpen saugen Wasser in horizontalen Ebenen an. Dies ist ein sehr subtiler Unterschied, der jedoch hydraulisch enorm ist, wenn es um Wirbel, gleichmäßige Strömungen, stagnierende Zonen usw. geht.

F: Sollte der Pumpeneinlass nicht näher als 5 Pumpendurchmesser vom Bohrlochsieb entfernt sein?

Scroggins: Tatsächlich legt ANSI/HI 9.8-2012: Rotodynamic Pumps for Pump Intake Design ein Sieb auf vier Saugglockendurchmesser von der Saugglockenmittellinie für rechteckige Einlässe mit klarer Flüssigkeit fest.

F: Wenn Sie vermuten, dass Kavitation auftritt, gibt es irgendwelche Anzeichen, die in der Nähe des Motors beobachtet werden können?

Scroggins: Das ist eine gute Frage. Ich werde mit einem unserer Außendienstmitarbeiter Rücksprache halten und eine Nachverfolgung vornehmen. Typischerweise erhöht Kavitation Vibrationen und Lastschwankungen, die sich im Fahrer bemerkbar machen müssten. Dies führt dazu, dass bei vielen verschiedenen Krankheiten das gleiche Symptom auftritt.

F: Können Motoren mit variabler Drehzahl für vertikale Turbinenpumpen verwendet werden?

Scroggins: Ja, vor allem bei kurzen Sets, etwa in einem vertikalen Sumpf. Aber bei tiefen Lagen oder überall dort, wo ein hoher Hub vorhanden ist, den die Pumpe überwinden muss, würde ich die Verwendung eines Frequenzumrichters (VFD) nicht empfehlen.

F: Was sind die Vorteile einer vertikalen Turbinenpumpe gegenüber einem Tauchsumpf oder einem anderen Pumpentyp?

Scroggins: Die Vorteile einer vertikalen Turbinenpumpe sind: ein kleinerer Platzbedarf, keine Ansaugprobleme, es sind Laufräder mit niedrigem NPSHr verfügbar, Überflutungs- und NPSHA-Probleme werden durch einfaches Verlängern der Pumpe eliminiert, Druckflexibilität durch Hinzufügen oder Entfernen von Stufen, reduzierter Lärm und vertikal Turbinen lassen sich leicht an die Anforderungen bestehender Systeme anpassen. Die Nachteile oder das, was ich gerne als Chancen bezeichne, sind gering. Eine vertikale Turbine erfordert jedoch eine ungewöhnlich große Bauhöhe: Sie kann beim Ein- und Ausbau eine gewisse Herausforderung darstellen; Sie müssen einen Mindestflüssigkeitsstand zum Ansaugen, NPSH und Eintauchen erfüllen. und sie sind anfällig für starke Vibrationen.

F: Wie berücksichtigen Sie den durch Strömungsgleichrichter verursachten Druckabfall? Gibt es Daten, um diesen Druckabfall in die NPSHA-Berechnung einzubeziehen?

Scroggins: An diesem Punkt müssten Sie eine CFD-Analyse durchführen, um den Druckabfall zu bestimmen. Und ich weiß nicht, dass sich irgendein Pumpenhersteller mit diesem Problem befasst hat, auch nicht ANSI/HI oder AWWA. Aber Sie stellen eine interessante Frage.

F: Können Strömungsgleichrichter bei Anwendungen, bei denen NPSHA sehr nahe an NPSHr liegt, kontraproduktiv sein?

Scroggins: Es ist möglich, aber ich denke, dass eine CFD-Analyse einen Nettovorteil ergeben könnte, der leicht zugunsten von Strömungsgleichrichtern ausfällt. Das ist jedoch ein sehr guter Punkt.

Kommentar: Weitere Überlegungen beim Hinzufügen von Stufen umfassen die erforderliche zusätzliche Leistung und die Wellenstärke, die für die erhöhte Leistung und den Abwärtsschub erforderlich ist.

Scroggins: Das ist wahr. Und beim Entwerfen für den zukünftigen Zustand sollten diese Parameter unbedingt berücksichtigt werden.

F: Wir sind an der Planung großer Kraftwerke beteiligt, in denen Umwälzpumpen mit jeweils 130.000 gpm oder mehr eingesetzt werden. Gilt für diese Installationen derselbe Ansatz zur Dimensionierung von Sammelbehältern?

Scroggins: Ja. Tatsächlich bietet ANSI/HI 9.8 Richtlinien bis zu 300.000 gpm. Aber Projekte dieser Größenordnung – es sei denn, sie duplizieren eine andere Kühlturmanwendung – wären ein guter Kandidat für eine CFD-Analyse und möglicherweise ein maßstabsgetreues Modell. Ich würde zumindest eine CFD-Analyse vorschlagen, und wenn die Ergebnisse marginal sind, dann verwenden Sie entweder ein maßstabsgetreues Modell oder eine Designänderung. Viel Glück.

F: Welche Codes und Standards sind für die Gestaltung von Sümpfen nützlich?

Scroggins: Es gibt nur sehr wenige Standards und Codes. Sogar unsere Sump Design Group in Dänemark verwendet ANSI/HI 9.8. Aber ich empfehle auch Folgendes:

Ich halte das für einen sehr guten Anfang. Ein gutes CFD-Softwareprogramm verfügt möglicherweise über zusätzliche Informationen, beispielsweise ein ANSYS-Buch zur Fluidmodellierung.

F: Können Sie Überlegungen zu einem selbstreinigenden Nassbrunnen im Grabenstil anstellen?

Scroggins: In ANSI/HI 9.8 (genauer gesagt Abschnitt 9.8.3.2.3.5) gibt es ein Reinigungsverfahren für Nassbrunnen vom Grabentyp für Anwendungen mit feststoffhaltigen Flüssigkeiten. Ich kann zu diesem Verfahren keine brauchbaren Erkenntnisse liefern, da ich noch nicht mit dieser Art von Sumpf mit feststoffhaltigen Flüssigkeiten gearbeitet habe. Alles, was ich anbieten kann, ist, nachzuahmen, was im ANSI/HI-Standard erwähnt wird.

F: Können Sie kurz auf die Abstandsanforderungen für Spaltrohrturbinenpumpen eingehen, um Kavitation zu verhindern?

Scroggins: Bei diesem speziellen Thema wäre es unmöglich, mich kurz zu fassen, also verzeihen Sie mir bitte. Ich werde Abstandsanforderungen als Dimensionierung für Spaltrohrpumpen interpretieren. Für Durchflüsse über 5.000 gpm wird eine CFD-Analyse empfohlen und für Durchflüsse über 10.000 gpm wird ein Modell im physikalischen Maßstab empfohlen. Bei Durchflüssen von weniger als 5.000 gpm gibt es einige Dinge zu beachten. Zunächst ein paar Begriffe und Definitionen:

Eine einfache Dose (T-Kopf oder Saugdüse im Auslasskopf):

Beachten Sie, dass bei einer Dosenpumpe die Dosensaugverluste NICHT vernachlässigbar sind und vom NPSHA abgezogen werden müssen (beim Pumpenhersteller erhältlich).

Ansaugen im Behälter (ANSI-montierter Kopf oder Saugdüse im Behälter):

Anmerkungen:

*Der Innendurchmesser der Richtschaufel sollte so nah wie möglich am größten Außendurchmesser innerhalb der Dose liegen. Ich empfehle die Verwendung von SVid = 1,08 × Dx oder höchstens 1 Zoll zwischen der Schaufel und der Saugglockenlippe, den Schalen oder dem Säulenflansch.

**Aufgrund des begrenzten Volumens in einer teilweise gefüllten Dose könnte ein Anstieg des Flüssigkeitsstands ein Problem darstellen. Die Ansaugleitungen sollten groß genug sein, um beim Start ein Absinken unter den Mindestflüssigkeitsstand für nicht länger als 3 Sekunden zu begrenzen.

F: Vertikale Turbinenpumpen, die in Brandschutzsystemen verwendet werden, werden typischerweise in kleine Sümpfe eingebaut, die in vorgefertigte Tanks eingebaut sind. Wie groß sollte ein solcher Sumpf bei 2.500 gpm-Pumpen sein?

Scroggins: Ich habe nicht genügend Informationen, um diese Frage richtig zu beantworten. Dies hängt von der Mindestdauer x 150 % Auslegungsdurchfluss (3.750 gpm) ab, aufgerundet auf die nächste Tankgröße. Ich würde NFPA 22: Standard für Wassertanks für privaten Brandschutz oder die zuständige Behörde überprüfen.

F: Ist das Laufrad der ersten Stufe in einer mehrstufigen Pumpe das obere oder das untere Laufrad?

Scroggins: Es befindet sich immer ganz unten. Beachten Sie, dass NPSH nur eine Funktion des Laufrads der ersten Stufe ist.

F: Ist ein Eintauchen erforderlich, um das Eindringen von Luft zu verhindern und Wirbel im Sumpf zu verhindern, gemessen über dem Einlassauge des Laufrads oder über der Höhe des Bodens der Ansaugglocke?

Scroggins: Das ist ein wenig verwirrend, da stimme ich zu. Ich hoffe, Sie haben auf der ersten Folie zum Untertauchen bemerkt, dass die Bemaßungslinie an der Glockenlippe begann. Dies liegt daran, dass die Unterdrückung des Wirbels (Verhinderung des Lufteintritts) vom Einlass der Saugglocke aus gemessen wird. Am Einlass der Saugglocke beginnt die Wirbelwirkung. Die Maßlinie für NPSH reichte nicht bis zum Glockenrand, sondern direkt darüber. Das liegt daran, dass die NPSH-Eintauchtiefe von den Vorderkanten im Auge des Laufrads der ersten Stufe gemessen wird (dort, wo die Maßlinie platziert wurde). Der erforderliche NPSH-Wert basiert auf der Pumpgeschwindigkeit durch das Laufradauge der ersten Stufe. Und in der NPSHA-Berechnung ist die statische Förderhöhe (HST) die NPSH-Eintauchtiefe, gemessen vom Auge des Laufrads der ersten Stufe bis zum Flüssigkeitsspiegel.

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