Hydraulische Kräfte in Pumpen verstehen
Hydraulische Kräfte sind die Kräfte, die eine strömende Flüssigkeit auf Pumpenkomponenten ausübt: druckbedingte Belastungen an den Laufradschaufeln, Axialschub aufgrund des Druckunterschieds über das Laufrad, Radialkräfte aufgrund einer asymmetrischen Druckverteilung sowie pulsierende Kräfte, die entstehen durch Strömungsturbulenzen und die Wechselwirkung zwischen Schaufel und Spirale. Sie unterscheiden sich grundlegend von den mechanischen Kräften, die durch Unwucht oder Fehlausrichtung, da sie nicht durch rotierende Masse, sondern durch Flüssigkeitsdruck und Impulsänderungen entstehen – und sie zeigen sich im Spektrum als Schaufeldurchgangsfrequenz sowie die damit verbundenen Oberwellen. Ihr Verständnis ist für die Zuverlässigkeit der Pumpe von entscheidender Bedeutung: Hydraulische Kräfte verursachen Lagerbelastungen, Wellendurchbiegung und Vibration die sich je nach Betriebsbedingungen – Durchflussmenge, Druck und Fluideigenschaften – ändern, wodurch sich eine Pumpe ganz anders verhält als Maschinen, deren Kräfte rein mechanischer Natur sind.
1. Definition: Was sind hydraulische Kräfte?
Bei einer idealen Pumpe würde die Flüssigkeit gleichmäßig auf jeden Teil des Laufrads und des Gehäuses drücken, und die Welle wäre nur mechanischen Kräften ausgesetzt. Die Realität sieht jedoch anders aus. Der Druck ist am Druckstutzen höher als am Saugstutzen, er ist ungleichmäßig über den Umfang des Laufrads verteilt und pulsiert jedes Mal, wenn eine Schaufel an der Gehäusezunge vorbeiläuft. Die Summe dieser Effekte ergibt eine Reihe von stationären, sich langsam ändernden und schnell pulsierenden Belastungen, die auf den Rotor und die Struktur einwirken. Entscheidend ist, dass ihre Größe abhängt von wo die Pumpe auf ihrer Kennlinie arbeitet — eine Tatsache, die dem Diagnoseingenieur einen wirksamen Hebel an die Hand gibt, denn eine Änderung des Durchflusses verändert die Kräfte.
2. Arten von Hydraulikkräften
2.1 Axialschub (hydraulischer Schub)
Die resultierende Axialkraft, die sich aus dem Druckunterschied über dem Laufrad ergibt:
- Mechanismus: Der Druck auf der Druckseite wirkt auf einer Seite des Laufrads, der Druck auf der Saugseite auf der anderen.
- Richtung: in der Regel in Richtung der Ansaugseite (der Rückseite des Laufrads).
- Größe: kann selbst bei Pumpen mittlerer Größe eine Kraft von mehreren tausend Pfund erreichen.
- Wirkung: lädt die Axiallager und kann zu axiale Schwingung.
- Variiert mit: Durchflussmenge, Druck und Laufradkonstruktion.
Verfahren zum Axialschubausgleich
- Balance-Löcher: Bohrungen in der Laufrad-Deckscheibe, die für einen Druckausgleich sorgen.
- Hintere Schaufeln: Schaufeln auf der hinteren Deckscheibe, die Flüssigkeit nach außen pumpen, um den Druck auf der Rückseite zu senken.
- Doppelseitig saugende Laufräder: eine symmetrische Konstruktion, bei der sich die Kräfte der beiden Seiten gegenseitig aufheben.
- Gegenläufige Laufräder: Mehrstufige Pumpen, bei denen die Laufräder in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind.
2.2 Radialkräfte
Seitliche Kräfte, die durch eine asymmetrische Druckverteilung um das Laufrad entstehen:
Am Punkt des höchsten Wirkungsgrads (BEP)
- Die Druckverteilung ist um das Laufrad herum relativ symmetrisch.
- Die Radialkräfte gleichen sich aus und heben sich weitgehend gegenseitig auf.
- Die resultierende Radialkraft ist minimal.
- Dies ist der Zustand mit der geringsten Schwingung.
Außerhalb des BEP – geringer Durchfluss
- Die Druckverteilung im Spiralgehäuse wird asymmetrisch.
- Es entsteht eine resultierende Radialkraft in Richtung der Spiralzunge (Cutwater).
- Seine Stärke nimmt mit sinkender Durchflussmenge zu.
- Bei Absperrung kann er 20–40 % des Laufradgewichts erreichen.
- Die rotierende Radialkraft äußert sich als 1×-Schwingung.
Außerhalb des BEP – hoher Durchfluss
- Es entsteht ein anderes Asymmetriemuster.
- Es wirkt zwar eine Radialkraft, diese ist jedoch in der Regel geringer als bei geringem Durchfluss.
- Strömungsturbulenzen fügen zusätzlich zufällige Kraftkomponenten hinzu.
2.3 Pulsationen beim Durchströmen der Schaufeln
Periodische Druckimpulse, die entstehen, wenn jede Schaufel an der Zunge vorbeiläuft:
- Frequenz: Anzahl der Flügel × Drehzahl / 60.
- Mechanismus: Jede Schaufel, die an der Zunge vorbeiläuft, erzeugt einen Druckimpuls.
- Kräfte: auf das Laufrad, das Spiralgehäuse und das Gehäuse wirken.
- Vibration: dominant bei der Schaufelfolgefrequenz.
- Größe: hängt vom Zungenspalt, vom Betriebspunkt und von der Konstruktion ab.
2.4 Rezirkulationskräfte
- Niederfrequente instationäre Kräfte aus Strömungsinstabilitäten
- Sie treten bei sehr geringen – und manchmal auch sehr hohen – Durchflussraten auf.
- Frequenzen typischerweise 0,2–0,8 × Betriebsdrehzahl, im subsynchron Band.
- Kann starke Vibrationen im niedrigen Frequenzbereich verursachen.
- Ein deutliches Anzeichen dafür, dass der Betrieb weit vom BEP entfernt ist – siehe Umwälzung.
3. Auswirkungen auf die Pumpenleistung
Belastung des Lagers
- Hydraulische Radialkräfte verstärken die mechanischen Belastungen der Lager.
- Schwankende Kräfte führen zu einer zyklischen Belastung.
- Die Belastung ist bei geringem Durchfluss am größten.
- Bei der Auswahl der Lager muss die Hydraulikkomponente berücksichtigt werden.
- Die Lebensdauer von Lagern nimmt mit steigender Belastung stark ab (die Lebensdauer ist proportional zu 1/Belastung³), daher ist eine moderate Berechnung der Lagerlebensdauer nach L10 kann verdeutlichen, inwieweit eine Radialkraft bei Niederdurchfluss die Lebensdauer verkürzt.
Wellendurchbiegung
- Radialkräfte führen zu einer Durchbiegung der Welle.
- Dadurch ändern sich die Dichtungsabstände und die Passungen der Verschleißringe.
- Das kann die Effizienz beeinträchtigen.
- In extremen Fällen führt dies zu einer reiben.
Erzeugung von Schwingungen
- 1× Bauteil: aufgrund der konstanten oder sich langsam ändernden Radialkraft.
- VPF-Komponente: durch die Druckpulsationen.
- Niedrige Frequenzen: durch Rezirkulation und andere Instabilitäten.
- Abhängig vom Arbeitspunkt: Je nach Durchflussmenge ändert sich das Gesamtbild.
Mechanische Beanspruchung
- Zyklische Kräfte wirken Ermüdung Laden.
- Die Laufradschaufeln werden durch die Druckunterschiede belastet.
- Die Welle wird durch Biegemomente auf Ermüdung beansprucht.
- Das Gehäuse wird durch die Druckpulsationen beansprucht.
4. Minimierung der hydraulischen Kräfte
im Bereich des BEP arbeiten
- Die mit Abstand wirksamste Strategie zur Minimierung hydraulischer Kräfte.
- Versuchen Sie, den Betrieb nach Möglichkeit im Bereich von 80–110 % des BEP-Durchflusses zu halten.
- Am BEP sind die Radialkräfte am geringsten.
- Vibrationen und Lagerbelastungen werden gemeinsam minimiert.
Konstruktionsmerkmale
- Diffusor-Pumpen: eine symmetrischere Druckverteilung als bei einer einzelnen Spirale.
- Doppelspirale: zwei im Winkel von 180° zueinander angeordnete Gehäusezungen, die die Radialkräfte ausgleichen.
- Erhöhte Spaltweiten: die Druckstöße beim Durchströmen der Schaufeln verringern (auf Kosten eines gewissen Wirkungsgradverlusts).
- Auswahl der Schaufelanzahl: so gewählt, dass akustische Resonanzen vermieden werden.
Systementwurf
- Sorgen Sie für einen Mindestmengen-Rezirkulationsschutz bei Grundlastpumpen.
- Wählen Sie die richtige Pumpengröße für den tatsächlichen Einsatzzweck und vermeiden Sie eine Überdimensionierung.
- Verwenden Sie einen Frequenzumrichter, um den optimalen Betriebspunkt beizubehalten.
- Gestalten Sie den Einlass so, dass Vorwirbel und Turbulenzen auf ein Minimum reduziert werden.
5. Diagnostische Verwendung
Leistungskurven und hydraulische Kräfte
- Tragen Sie die Schwingung in Abhängigkeit vom Volumenstrom auf.
- Die geringste Vibration tritt typischerweise am oder nahe dem BEP auf.
- Zunehmende Schwingungen bei geringem Durchfluss deuten auf hohe Radialkräfte hin.
- Die Kurve hilft dabei, einen sinnvollen Betriebsbereich festzulegen.
VPF-Analyse
- Die VPF-Amplitude gibt Aufschluss über die Stärke der hydraulischen Pulsation.
- Ein steigender VPF-Wert deutet auf eine Verschlechterung der Abstände oder eine Verschiebung des Betriebspunkts hin.
- VPF Obertöne deuten auf eine turbulente, gestörte Strömung hin.
Die Unterscheidung dieser hydraulischen Signaturen von rein mechanischen ist der Kern der Pumpendiagnose, und genau hier zeigt ein tragbares Analysegerät vor Ort seinen Nutzen. Das Balanset-1A fängt die Schwingungsspektrum an den Lagergehäusen und ermittelt die 1×-, VPF- und Niederfrequenzkomponenten, sodass ein Ingenieur entscheiden kann, ob ein hoher Messwert Maßnahmen erfordert Feldauswuchten (eine mechanische Korrektur) oder eine Änderung des Betriebspunkts (eine hydraulische Korrektur) – und wenn die Diagnose auf eine Unwucht hindeutet, den Rotor auswuchten und das Ergebnis sofort überprüfen.
6. Überlegungen zur Messung
Messstellen für Schwingungen
- Lagergehäuse: die kombinierten mechanischen und hydraulischen Kräfte erfassen.
- Pumpengehäuse: empfindlicher gegenüber hydraulischen Pulsationen.
- Saug- und Druckleitungen: die übertragenen Druckpulsationen weiterleiten.
- Mehrere Messpunkte: Ein Vergleich hilft dabei, hydraulische von mechanischen Ursachen zu unterscheiden.
Messung von Druckpulsationen
- Bringen Sie Druckmessumformer an der Saug- und Druckseite an.
- Diese messen die hydraulischen Pulsationen direkt.
- Setzen Sie die Pulsationsdaten in Beziehung zu den Schwingungen.
- Verwenden Sie diese Kombination, um akustische Resonanzen zu identifizieren.
Hydraulische Kräfte sind für die Funktionsweise einer Pumpe von grundlegender Bedeutung und eine Hauptursache für deren Schwingungen und Belastungen. Das Verständnis dafür, wie sich diese Kräfte in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen verändern, das Erkennen ihrer charakteristischen Merkmale im Schwingungsspektrum sowie die Auslegung und der Betrieb von Pumpen mit dem Ziel, diese Kräfte gering zu halten – vor allem durch den Betrieb nahe am BEP –, sind entscheidend für eine zuverlässige und langlebige Pumpenleistung im industriellen Einsatz. Eine ausführlichere Darstellung der durch diese Kräfte verursachten Ausfälle finden Sie unter Defekte an Kreiselpumpen und Laufraddefekte.
