Was ist Axialschub

Axialschub, ein kritischer Faktor bei der Konstruktion und dem Betrieb von Kreiselpumpen, bezieht sich auf die Nettokraft, die parallel zur Pumpenwelle wirkt. Dieser Artikel befasst sich mit den Ursachen, Folgen und Managementstrategien für Axialschub in Kreiselpumpen und bietet sowohl Ingenieuren als auch Pumpenbenutzern wertvolle Einblicke.

Wichtige Komponenten, die zum Axialschub beitragen

1. Axiale hydraulische Kräfte auf die Laufradabdeckungen: Durch die Druckverteilung auf die Vorder- und Rückwand des Laufrads entsteht eine Axialkraft.
2. Impulskräfte aus der Änderung der axialen Geschwindigkeit der Flüssigkeit: Wenn die Flüssigkeit in axialer Richtung beschleunigt oder verzögert wird, übt sie eine Kraft auf das Laufrad aus und trägt zum Axialschub bei.
3. Kräfte aus Druckunterschieden auf Dichtungen und Lager: Druckungleichgewichte an Wellendichtungen und Lagern können zusätzliche Axialkräfte auf den Pumpenrotor erzeugen.
4. Gewicht der Rotorkomponenten (für vertikale Pumpen): Bei vertikalen Pumpenkonfigurationen trägt das Gewicht der Rotorbaugruppe, einschließlich Laufräder, Welle und anderer Komponenten, zum gesamten Axialschub bei.

Gleichung zur Berechnung des Axialschubs

Der auf das Laufrad einer Kreiselpumpe wirkende Axialschub (F) kann mithilfe der folgenden Gleichung berechnet werden:

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

Wo:

• P1 und P2 sind die Drücke, die auf die Vorder- bzw. Rückseite des Laufrads wirken.
• A ist die Fläche der Laufradabdeckung
• ρ ist die Fluiddichte
• Q ist der Volumenstrom
• V1 und V2 sind die Axialgeschwindigkeiten der Flüssigkeit am Einlass bzw. Auslass des Laufrads

Diese Gleichung berücksichtigt sowohl die Druckkräfte als auch die Impulskräfte, die in axialer Richtung auf das Laufrad wirken.

Ursachen für Axialschub bei verschiedenen Pumpenkonstruktionen

Einstufige Pumpen

Bei einstufigen Kreiselpumpen entsteht der Axialschub hauptsächlich durch den Druckunterschied zwischen der Vorder- und Rückseite des Laufrads. Der höhere Druck auf der Auslassseite des Laufrads erzeugt eine Nettokraft, die das Laufrad zur Saugseite drückt. Dieser Axialschub kann durch Faktoren wie Laufraddesign, Betriebsbedingungen und Spaltmaße der Verschleißringe beeinflusst werden.

Mehrstufige Pumpen

Mehrstufige Kreiselpumpen mit mehreren in Reihe angeordneten Laufrädern stehen vor zusätzlichen Herausforderungen bei der Bewältigung des Axialschubs. Der Druck steigt über jede Stufenverbindung an, was zu einer deutlich höheren Axialkraft im Vergleich zu einstufigen Pumpen führt. Darüber hinaus führt das Vorhandensein von Ausgleichstrommeln, Ausgleichsscheiben oder Ausgleichskolben, die zum Ausgleich des Axialschubs verwendet werden, zu zusätzlicher Komplexität des Systems.

Folgen von übermäßigem Axialschub

1. Überlastung und vorzeitiger Ausfall von Axiallagern: Hohe Axialkräfte können dazu führen, dass Axiallager über ihre Nennkapazität hinaus beansprucht werden, was zu beschleunigtem Verschleiß und vorzeitigem Ausfall führt.
2. Übermäßige Wellendurchbiegung und Vibration: Unausgeglichene Axialkräfte können zu einer Durchbiegung der Pumpenwelle führen, was erhöhte Vibrationen und eine verkürzte Lagerlebensdauer zur Folge hat.
3. Beschleunigter Verschleiß der inneren Spaltweite der Pumpe: Axialschub kann zum Kontakt zwischen rotierenden und stationären Komponenten wie Verschleißringen und Ausgleichstrommeln führen, was zu beschleunigtem Verschleiß und vergrößertem Spiel führt.
4. Leckage und Ausfall der Gleitringdichtung: Übermäßige Axialbewegungen des Pumpenrotors können zu Undichtigkeiten oder vorzeitigem Ausfall der Gleitringdichtungen führen.
5. Reduzierte Pumpeneffizienz und Zuverlässigkeit: Die kombinierten Auswirkungen von erhöhter Vibration, Verschleiß und Komponentenschäden aufgrund übermäßigen Axialschubs können die Pumpeneffizienz und die Gesamtzuverlässigkeit erheblich verringern.

Methoden zum Ausgleichen und Kontrollieren des Axialschubs

1. Axiallager und ihre Dimensionierung: Richtig dimensionierte und ausgewählte Axiallager, wie Schrägkugellager oder Kippsegmentlager, können die von der Pumpe erzeugten Axiallasten effektiv aufnehmen. Die Tragfähigkeit, die Drehzahl und die Schmieranforderungen des Lagers müssen sorgfältig berücksichtigt werden.
2. Laufradanordnungen: Der Einsatz von doppelflutigen Laufrädern oder Rücken-an-Rücken-Anordnungen kann dazu beitragen, die auf den Pumpenrotor wirkenden Axialkräfte auszugleichen und so den Netto-Axialschub zu reduzieren.
3. Trommeln, Scheiben und Kolben auswuchten: Diese auf der Pumpenwelle montierten Geräte erzeugen eine entgegenwirkende Axialkraft, indem sie den Druckunterschied zwischen der Auslass- und Saugseite der Pumpe ausnutzen.
4. Wuchtbohrungen und Gegenschaufeln an Laufrädern: Strategisch platzierte Löcher oder Gegenschaufeln an den Laufradverkleidungen können dazu beitragen, die Druckverteilung auszugleichen und die auf das Laufrad wirkende Nettoaxialkraft zu verringern.
5. Automatische hydraulische Abgleicheinrichtungen: Selbsteinstellende hydraulische Ausgleichsgeräte wie das „Balanced-Flow“-System von ITT Goulds Pumps können unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen automatisch ein optimales Axialschubgleichgewicht aufrechterhalten.
6. Einfluss des Spaltmaßes an den Verschleißringen: Die Einhaltung der richtigen Spaltweite der Verschleißringe ist für die Kontrolle des Axialschubs unerlässlich. Wenn sich die Spaltweite der Verschleißringe aufgrund normaler Abnutzung vergrößert, ändert sich die Druckverteilung um das Laufrad, was möglicherweise den Axialschub erhöht.

FAQs

Was ist der Unterschied zwischen Axial- und Radiallagern?

Axiallager (Drucklager) sind dafür ausgelegt, Lasten aufzunehmen, die parallel zur Wellenachse wirken, während Radiallager Lasten aufnehmen, die senkrecht zur Wellenachse wirken.

Bei Kreiselpumpen werden Axialdrucklager eingesetzt, um den von den Pumpenlaufrädern und der Druckverteilung im Pumpengehäuse erzeugten Axialkräften entgegenzuwirken. Radiallager tragen das Gewicht des Pumpenrotors und alle Radialkräfte, die durch Wechselwirkungen zwischen Laufrad und Gehäuse oder durch Wellenfehlausrichtung entstehen.

Abschluss

Das Verständnis und die effektive Handhabung des Axialschubs sind entscheidend für den zuverlässigen und effizienten Betrieb von Kreiselpumpen. Durch die Berücksichtigung der verschiedenen Faktoren, die zum Axialschub beitragen, wie Laufraddesign, Pumpenkonfiguration und Betriebsbedingungen, können Ingenieure geeignete Strategien zum Schubausgleich entwerfen und auswählen.

Regelmäßige Überwachung, Wartung und Einhaltung bewährter Betriebspraktiken können zusätzlich dazu beitragen, die Auswirkungen des Axialschubs auf die Pumpenleistung und -lebensdauer zu minimieren.