Verständnis der Schaufelpassierfrequenz

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Definition: Was ist die Schaufelpassierfrequenz?

Schaufelpassierfrequenz Die Schaufelpassagefrequenz (auch Laufradschaufelfrequenz oder einfach Schaufelpassagefrequenz genannt) ist die Frequenz, mit der die Schaufeln eines rotierenden Pumpenlaufrads an einem stationären Bezugspunkt wie dem Spiralgehäuse-Schneidrohr (Zunge), den Diffusorschaufeln oder Gehäusemerkmalen vorbeilaufen. Sie wird berechnet, indem die Anzahl der Laufradschaufeln mit der Drehzahl der Welle multipliziert wird (Schaufelpassagefrequenz = Anzahl der Schaufeln × Drehzahl / 60). Dies ist das Pumpenäquivalent von Blattdurchgangsfrequenz bei Fans.

VPF ist das dominierende Hydrauliksystem Vibration Die Frequenzgangabweichung (VPF) tritt typischerweise im Bereich von 100–500 Hz bei Kreiselpumpen auf. Die Überwachung der VPF-Amplitude und ihrer Obertöne liefert wichtige Diagnoseinformationen über den Zustand des Laufrads, die hydraulische Leistung und mögliche Spielprobleme.

Berechnung und typische Werte

Formel

• VPF = Nv × N / 60
• Wobei Nv = Anzahl der Laufradschaufeln
• N = Wellendrehzahl (U/min)
• Ergebnis in Hz

Beispiele

Kleine Pumpe

• 5 Schaufeln bei 3500 U/min
• VPF = 5 × 3500 / 60 = 292 Hz

Große Prozesspumpe

• 7 Schaufeln bei 1750 U/min
• VPF = 7 × 1750 / 60 = 204 Hz

Hochgeschwindigkeitspumpe

• 6 Schaufeln bei 4200 U/min
• VPF = 6 × 4200 / 60 = 420 Hz

Typische Flügelanzahl

• Kreiselpumpen: 3-12 Flügel (5-7 am häufigsten)
• Kleine Pumpen: Weniger Flügel (3-5)
• Große Pumpen: Mehr Flügel (7-12)
• Hochdruckpumpen: Mehr Schaufeln für den Energietransfer

Physikalischer Mechanismus

Druckpulsationen

VPF entsteht durch Schwankungen des Hydraulikdrucks:

1. Jede Laufradschaufel befördert Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit
2. Beim Passieren der Schaufel durch die Spiralgehäuse-Schneidekammer entsteht ein Druckimpuls.
3. Der Druckunterschied über die Schaufel ändert sich schnell
4. Erzeugt einen Kraftimpuls auf Laufrad und Gehäuse
5. Bei Nv Schaufeln treten Nv Impulse pro Umdrehung auf
6. Pulsationsfrequenz = Schaufelpassierrate = VPF

Am Auslegungspunkt (BEP)

• Strömungswinkel entspricht Schaufelwinkel
• Gleichmäßige Strömung, minimale Turbulenzen
• VPF-Amplitude mäßig und stabil
• Optimale Druckverteilung

Außerhalb des Auslegungspunktes

• Strömungswinkel nicht mit Schaufelwinkel abgestimmt
• Erhöhte Turbulenzen und Strömungsablösung
• Höhere Druckpulsationen
• Erhöhte VPF-Amplitude
• Mögliche zusätzliche Frequenzkomponenten

Diagnostische Interpretation

Normale VPF-Amplitude

• Pumpe im optimalen Wirkungsgradpunkt (BEP)
• Die VPF-Amplitude ist über die Zeit stabil.
• Typischerweise 10-30% mit 1× Schwingungsamplitude
• Sauberes Spektrum mit minimalen Obertönen

Ein erhöhter VPF-Wert deutet darauf hin

Betrieb außerhalb der BEP

• Betrieb mit niedrigem Durchfluss (< 70% BEP) erhöht VPF
• Hoher Durchfluss (> 120% BEP) erhöht auch den VPF
• Optimaler Betrieb bei 80-110% BEP

Probleme mit dem Spiel zwischen Laufrad und Gehäuse

• Abgenutzte Verschleißringe vergrößern das Spiel.
• Laufradverschiebung durch Lagerverschleiß
• Die VPF-Amplitude nimmt bei übermäßiger Clearance zu.
• Leistungsverschlechterung (interne Rezirkulation)

Beschädigung des Laufrads

• Gebrochene oder rissige Flügel erzeugen Asymmetrie
• VPF-Amplitude mit Seitenbänder bei ±1× Geschwindigkeit
• Erosion oder Ablagerungen an den Schaufeln
• Beschädigung durch Fremdkörper

Hydraulische Resonanz

• VPF passt die akustische Resonanz in Rohrleitungen oder Gehäusen an.
• Dramatische Amplitudenverstärkung
• Kann strukturelle Vibrationen und Lärm verursachen.
• Möglicherweise sind Systemanpassungen erforderlich.

VPF-Oberschwingungen

2×VPF und höher

Mehrere Obertöne deuten auf Probleme hin:

• 2×VPF vorhanden: Ungleichmäßiger Schaufelabstand, Laufradexzentrizität
• Mehrere Harmonische: Starke hydraulische Turbulenzen, Schaufelschäden
• Übermäßige Amplituden: Potenzial für Ermüdungsbrüche

Subharmonische

• Fraktionale VPF-Komponenten (VPF/2, VPF/3)
• Strömungsinstabilitäten anzeigen
• Rotierende Stall- oder Trennzellen
• Häufig bei sehr niedrigen Durchflussraten

Überwachung und Trendanalyse

Basislinienfestlegung

• VPF-Wert erfassen, wenn die Pumpe neu oder frisch überholt ist
• Dokument am Auslegungsbetriebspunkt
• Normales VPF/1× Amplitudenverhältnis festlegen
• Alarmgrenzen festlegen (typischerweise 2-3× VPF-Basislinienamplitude)

Trendparameter

• VPF-Amplitude: Eine Zunahme der Beobachtung im Zeitverlauf deutet auf ein sich entwickelndes Problem hin.
• VPF/1× Verhältnis: Sollte relativ konstant bleiben.
• Obertongehalt: Auftreten oder Wachstum von 2×VPF, 3×VPF
• Seitenbandentwicklung: Auftreten von ±1× Seitenbändern um VPF

Korrelation der Betriebsbedingungen

• VPF-Verlauf vs. Durchflussrate
• Optimalen Betriebsbereich ermitteln (minimaler VPF)
• Erkennen, wann sich der Arbeitspunkt verschoben hat
• Korrelieren mit Leistungsverschlechterung

Korrekturmaßnahmen

Bei erhöhtem VPF

Betriebspunktoptimierung

• Passen Sie den Durchfluss an, um die Pumpe näher an den optimalen Betriebspunkt (BEP) zu bringen.
• Drosselklappenöffnung oder Systemwiderstand anpassen
• Prüfen Sie, ob die Saugbedingungen ausreichend sind.

Mechanische Korrektur

• Verschleißringe ersetzen (Spiel wiederherstellen)
• Ersetzen Sie das verschlissene oder beschädigte Laufrad
• Beheben Sie Lagerprobleme, die eine Laufradverschiebung ermöglichen.
• Überprüfen Sie die korrekte Position des Laufrads (axial und radial).

Hydraulische Verbesserungen

• Verbesserung der Einlassrohrleitungskonstruktion (Reduzierung von Vordrall und Turbulenzen)
• Installieren Sie bei Bedarf Strömungsgleichrichter.
• Prüfen Sie, ob ausreichende NPSH-Marge vorhanden ist.
• Lufteinschluss beseitigen

Beziehung zu anderen Frequenzen

VPF vs. BPF

• Die Begriffe werden oft synonym für Pumpen bzw. Ventilatoren verwendet.
• VPF: Bevorzugte Bezeichnung für Pumpen (Schaufeln in Flüssigkeit)
• BPF: Bevorzugte Bezeichnung für Ventilatoren (Flügel in der Luft)
• Berechnungs- und Diagnoseverfahren identisch

VPF vs. Laufgeschwindigkeit

• VPF = Nv × (Laufgeschwindigkeitsfrequenz)
• VPF hat immer eine höhere Frequenz als 1×
• Bei einem 7-flügeligen Laufrad gilt: VPF = 7 × Drehzahlfrequenz

Die Schaufelpassierfrequenz ist die grundlegende hydraulische Schwingungskomponente in Kreiselpumpen. Das Verständnis der Schaufelpassierfrequenzberechnung, die Unterscheidung zwischen normalen und erhöhten Amplituden sowie die Korrelation von Schaufelpassierfrequenzmustern mit Betriebsbedingungen und Pumpenzustand ermöglichen eine effektive Pumpendiagnose und dienen als Grundlage für Entscheidungen zur Optimierung des Betriebspunktes, zur Wiederherstellung des Spaltmaßes und zum Laufradwechsel.

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