Rezirkulation in Pumpen verstehen
Umluft ist eine Strömungsinstabilität, die in Kreiselpumpen und Ventilatoren auftritt, wenn diese mit Durchflussmengen betrieben werden, die deutlich unter ihrem Auslegungspunkt – dem Punkt mit dem höchsten Wirkungsgrad (BEP) – liegen. Bei geringem Durchfluss kehrt ein Teil der Flüssigkeit die Strömungsrichtung um, fließt vom Druckbereich zurück in Richtung Ansaugung und bildet instabile Rückströmungsmuster am Ein- oder Auslass des Laufrads. Die Folge ist eine niederfrequente Vibration Pulsation (typischerweise 0,2–0,8 × Betriebsdrehzahl und somit subsynchron), Geräuschentwicklung, Effizienzverlust und – in schweren Fällen – schwerwiegende mechanische Schäden durch zyklische Belastung, Kavitation und Überhitzung. Dies zählt zu den schädlichsten Betriebsarten einer Pumpe, und deren Vermeidung ist von zentraler Bedeutung für Zuverlässigkeit der Pumpe.
1. Definition: Hydraulische Instabilität bei geringem Durchfluss
Ein Laufrad ist so konstruiert, dass die Flüssigkeit am BEP in bestimmten Winkeln auf die Schaufeln trifft und diese wieder verlässt. Drosselt man den Durchfluss deutlich unter diesen Punkt, stimmen die Geschwindigkeitsdreiecke nicht mehr mit der Schaufelgeometrie überein: Der Anströmwinkel verschlechtert sich erheblich, es kommt zur Strömungsablösung an den Schaufeln, und Flüssigkeit, die das Laufrad bereits in Bewegung gesetzt hat, fließt rückwärts. Diese umgekehrten, wirbelnden Strömungen sind die Rückströmung. Da die instationäre hydraulische Kräfte die dabei entstehen, können enorm sein; die Rückströmung kann zu Lagerausfällen, Dichtungsschäden und Wellenschäden führen Ermüdung und sogar zu einem strukturellen Versagen des Laufrads selbst führen. Dies zu verstehen und zu verhindern, ist entscheidend für die Langlebigkeit der Pumpe.
2. Arten der Rückströmung
Saugseitige Rückströmung
Tritt am Laufradeinlass (auf der Saugseite) auf:
- Mechanismus: Bei geringem Durchfluss trifft die in das Laufradauge einströmende Flüssigkeit im falschen Strömungswinkel auf.
- Trennung: Die Strömung löst sich von den Ansaugflächen der Schaufeln.
- Reverse flow: Die abgetrennte Flüssigkeit fließt rückwärts aus dem Laufradauge heraus.
- Beginn: in der Regel bei 60–70 % des BEP-Durchflusses.
- Standort: konzentriert sich in der Nähe der Laufradhauben.
Druckseitige Rückströmung
Tritt am Laufradauslass (dem Auslass) auf:
- Mechanismus: Die unter hohem Druck stehende Ausstoßflüssigkeit strömt rückwärts in den Umfang des Laufrads.
- Weg: durch Spalte wie Verschleißringe und Seitenspalten.
- Mischen: Der rezirkulierende Strom vermischt sich mit dem Hauptstrom und erzeugt Turbulenz.
- Beginn: in der Regel bei 40–60 % des BEP-Durchflusses.
- Schwere: Im Allgemeinen schädlicher als Saugrezirkulation
Kombinierte Rezirkulation
- Es liegt gleichzeitig eine Rezirkulation an der Saug- und der Druckseite vor.
- Tritt bei sehr geringen Durchflussmengen auf, unterhalb von etwa 40 % des BEP.
- Verursacht die stärksten Vibrationen und birgt das größte Schadenspotenzial.
- Dies sollte durch einen Mindestdurchflussschutz verhindert werden.
3. Schwingungssignatur
Charakteristisches Muster
- Frequenz: subsynchron, typischerweise 0,2–0,8-fache der Drehfrequenz.
- Beispiel: eine Pumpe mit 1750 U/min, die Pulsationen im Bereich von 10–20 Hz aufweist.
- Amplitude: kann das 2- bis 5-fache der normalen Betriebsschwingung erreichen.
- Instabil: Sowohl die Frequenz als auch die Amplitude schwanken, anstatt konstant zu bleiben.
- Zufallskomponente: Eine Breitbandsteigerung durch Turbulenzen kommt noch hinzu.
Dieser wandernde, nicht-synchrone Charakter ist es, der die Rezirkulation von der gleichmäßigen 1×-Komponente unterscheidet Unwucht und der Schaufelpassierfrequenz-Spitze von Schaufeldurchgangsfrequenz; um dies zu erfassen, muss man in der Regel sowohl die Spektrum und die Zeitwellenform.
Durchflussabhängigkeit
- High flow: keine Rezirkulation, geringe Vibrationen.
- Mäßiger Durchfluss (80–100 % BEP): minimale Rezirkulation, akzeptable Vibrationen.
- Geringer Durchfluss (50–70 % des BEP): Die Ansaugrückströmung beginnt und die Vibrationen nehmen zu.
- Sehr geringer Durchfluss (< 50 % des Bestpunkts): starke Rückströmung und sehr starke Vibrationen.
- Abschaltung: maximale Rückströmung, maximale Vibration und die schnellste Schadensrate.
Zusätzliche Indikatoren
- A high axiale Schwingung Komponente.
- Verstärkte Geräuschentwicklung – Dröhnen oder Rumpeln.
- Leistungsabfall, wobei Förderhöhe und Durchfluss unter die Kurve fallen.
- Temperaturanstieg aufgrund der in die Flüssigkeit abgegebenen hydraulischen Verluste.
4. Folgen und Schäden
Sofortige Auswirkungen
- Starke Vibrationen: kann die Alarmgrenzwerte innerhalb weniger Minuten überschreiten.
- Lärm: ein lautes, tosendes Dröhnen.
- Wirkungsgradverlust: hohe Leistungsaufnahme im Verhältnis zur tatsächlich erbrachten Förderleistung
- Heizung: Hydraulikverluste, die im Gehäuse in Wärme umgewandelt werden.
Mechanischer Schaden
- Lagerausfall: Hohe zyklische Belastungen beschleunigen den Verschleiß der Lager tragen.
- Seal damage: Vibrationen und Druckpulsationen zerstören Gleitringdichtungen.
- Shaft fatigue: Wechselnde Biegespannung aufgrund der instationären hydraulischen Kräfte.
- Schäden am Laufrad: vane Ermüdungsrisse durch zyklische Belastung.
Hydraulikschäden
- Kavitation: In Rezirkulationszonen kommt es leicht zu Kavitation, da der lokale Druck unter den Dampfdruck fällt.
- Erosion: Eine mit hoher Geschwindigkeit rückströmende Strömung führt zur Erosion von Oberflächen.
- Wirbelkavitation: In den Wirbeln innerhalb der Rezirkulationszonen kommt es in ihren Niederdruckkernen zur Kavitation.
5. Erkennung und Diagnose
Schwingungsanalyse
- Achten Sie auf subsynchrone Komponenten im Bereich von 0,2–0,8×.
- Führen Sie Tests bei verschiedenen Durchflussraten durch, um das Verhalten zu erfassen.
- Ermitteln Sie die Durchflussrate, bei der Pulsationen auftreten – den Beginn der Rezirkulation.
- Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Vorhersagen der Leistungskurve der Pumpe.
Leistungstests
- Messen Sie die tatsächliche Druck-Durchfluss-Kurve.
- Vergleichen Sie sie mit der Auslegungskurve.
- Eine Abweichung bei geringem Durchfluss deutet auf Rezirkulation hin.
- Eine Leistungsaufnahme, die über den Kurvenwerten liegt, ist ein weiterer Beleg dafür.
Akustische Überwachung
- Ein unverwechselbares, tobendes Dröhnen.
- Ein Anstieg des Breitbandrauschens.
- Oft am Pumpengehäuse hörbar und spürbar.
6. Prävention und Schadensminderung
Betriebsstrategien
Mindestdurchfluss-Schutz
- Installieren Sie eine automatische Umwälzleitung mit Mindestdurchfluss.
- Ein Ventil öffnet sich, sobald der Durchfluss unter das sichere Minimum fällt (in der Regel 60–70 % des BEP).
- Es leitet den Förderstrom zurück zum Ansaugpunkt oder in einen Tank.
- Dadurch bleibt die Pumpe außerhalb des Umwälzbereichs.
Steuerung des Arbeitspunkts
- Vermeiden Sie es, unterhalb des minimalen kontinuierlichen stabilen Durchflusses zu arbeiten.
- Verwenden Sie einen Frequenzumrichter, um die Pumpe an den Bedarf anzupassen, und nutzen Sie dabei die affinity laws um die Pumpe über einen weiten Lastbereich nahe dem BEP zu betreiben.
- Verwenden Sie lieber mehrere kleinere Pumpen als eine große, um einen besseren Regelbereich zu erzielen.
- Schalten Sie Parallelpumpen je nach Bedarf stufenweise zu und ab.
Designlösungen
- Induktor: eine axiale Ansaugstufe zur Stabilisierung des Ansaugstroms.
- Laufräder für geringen Durchfluss: Sonderausführungen für den Einsatz bei geringem Durchfluss.
- Proper sizing: Wählen Sie keine zu große Pumpe, da dies zu einem dauerhaften Betrieb mit zu geringem Durchfluss führt.
- Größerer Einsatzbereich: Wählen Sie Pumpen mit flachen Kennlinien, die Schwankungen im Durchfluss ausgleichen können.
Systemdesign
- Das System ist so auszulegen, dass die Pumpe nahe am BEP arbeitet.
- Sorgen Sie für eine ausreichende NPSH-Reserve, um Kavitation in den Rückführbereichen zu begrenzen.
- Stellen Sie die Regelventile so ein, dass die Ansaugdrosselung auf ein Minimum reduziert wird.
- Bauen Sie Bypass- oder Umwälzsysteme ein, um einen Mindestdurchfluss zu gewährleisten.
7. Branchenstandards und Richtlinien
Mindestdurchfluss
- API 610: Legt den minimalen kontinuierlichen stabilen Durchfluss für Kreiselpumpen fest.
- Typische Werte: 60–70 % des BEP-Durchflusses bei Radialpumpen, 70–80 % bei Mischstrompumpen.
- Thermische Aspekte: Der Mindestdurchfluss wird zudem durch den Temperaturanstieg begrenzt, den die Flüssigkeit bei geringem Durchfluss verträgt.
Leistungstests
- In Werksversuchen wird der Einsetzpunkt der Rezirkulation überprüft.
- Praxistests bestätigen dies im eingebauten System.
- In den Abnahmekriterien wird die zulässige Schwingung bei minimalem Durchfluss festgelegt, häufig bezogen auf ISO 20816 Schweregradbereiche.
Da Rezirkulation, Unwucht, Schaufelpassiereffekte und Kavitation die Vibrationen der Pumpe verstärken können, besteht der praktische Diagnoseschritt darin, das Spektrum bei verschiedenen Durchflussraten zu messen und festzustellen, welche Komponente dem Durchfluss folgt. Ein tragbarer Zweikanal-Analysator wie der Balanset-1A erfasst die subsynchrone Schwingung und deren Durchflussabhängigkeit direkt an der Pumpe und hilft so dabei, eine Rezirkulation statt eines Rotorfehlers zu bestätigen – und wenn sich herausstellt, dass die erhöhten Schwingungen 1× Unwucht im Laufrad ermöglicht es dem Techniker, dieses an Ort und Stelle auszuwuchten, ohne die Pumpe zerlegen zu müssen. Um die relevanten Frequenzen vor Beginn zu ermitteln, Rechner für die Kavitationsfrequenz einer Pumpe und ein Rechner für die Blattdurchlauffrequenz Markieren Sie die Stellen, an denen Kavitationsgeräusche und Schaufelpass-Spitzen auftreten sollten, damit das wandernde subsynchrone Rezirkulationsband deutlich hervorsticht.
Die Rezirkulation gehört zu den härtesten Betriebsbedingungen, denen eine Kreiselpumpe ausgesetzt sein kann. Aufgrund der charakteristischen subsynchronen Schwingungsmuster, der hohen Pulsationsamplituden und der Gefahr schneller mechanischer Schäden ist es unerlässlich, die Einsatzbedingungen zu verstehen, einen Mindestdurchflussschutz einzubauen und einen chronischen Betrieb bei zu geringem Durchfluss zu vermeiden – dies sind die entscheidenden Faktoren für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Pumpe im industriellen Einsatz.
