1. Definition und Hauptauswirkungen des Laufradspalts

Der Laufradspalt bezeichnet den radialen Abstand zwischen dem Laufrad und dem Pumpengehäuse (bzw. dem Leitschaufelring) und beträgt typischerweise 0.2 mm bis 0.5 mm. Dieser Spalt beeinflusst maßgeblich die Leistung von  mehrstufige vertikale Turbinenpumpen in zwei Hauptaspekten:

● Hydraulische Verluste: Zu große Spalte erhöhen den Leckstrom und verringern den volumetrischen Wirkungsgrad; zu kleine Spalte können zu Reibungsverschleiß oder Kavitation führen.

● Strömungseigenschaften: Die Spaltgröße beeinflusst direkt die Strömungsgleichmäßigkeit am Laufradauslass und wirkt sich dadurch auf die Förderhöhen- und Wirkungsgradkurven aus.

2. Theoretische Grundlagen der Laufradspaltoptimierung

2.1 Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrads

Der volumetrische Wirkungsgrad (ηₛ) wird als Verhältnis des tatsächlichen Ausgangsdurchflusses zum theoretischen Durchfluss definiert:

ηₛ = 1 − QQleck

Qleak ist der durch den Laufradspalt verursachte Leckstrom. Durch die Optimierung des Spalts wird die Leckage deutlich reduziert. Beispiel:

● Durch die Reduzierung des Abstands von 0.3 mm auf 0.2 mm wird die Leckage um 15–20 % verringert.

● Bei mehrstufigen Pumpen kann eine kumulative Optimierung über alle Stufen hinweg die Gesamteffizienz um 5–10 % verbessern.

2.2 Reduzierung der hydraulischen Verluste

Durch die Optimierung des Spalts wird die Strömungsgleichmäßigkeit am Laufradaustritt verbessert, Turbulenzen reduziert und somit der Druckverlust minimiert. Zum Beispiel:

● CFD-Simulationen zeigen, dass eine Reduzierung des Spalts von 0.4 mm auf 0.25 mm die turbulente kinetische Energie um 30 % senkt, was einer Reduzierung des Wellenstromverbrauchs um 4–6 % entspricht.

2.3 Leistungssteigerung durch Kavitation

Große Spalte verstärken Druckpulsationen am Einlass und erhöhen das Kavitationsrisiko. Die Optimierung des Spaltes stabilisiert den Durchfluss und erhöht die NPSHr-Marge (Net Positive Suction Head), was insbesondere bei geringem Durchfluss effektiv ist.

3. Experimentelle Verifizierung und technische Fälle

3.1 Labortestdaten

Ein Forschungsinstitut führte Vergleichstests an einem mehrstufige vertikale Turbinenpumpe (Parameter: 2950 U/min, 100 m³/h, 200 m Förderhöhe).

3.2 Industrielle Anwendungsbeispiele

● Nachrüstung einer petrochemischen Umwälzpumpe: Eine Raffinerie reduzierte den Laufradspalt von 0.4 mm auf 0.28 mm und erzielte dadurch jährliche Energieeinsparungen von 120 kWh und eine Senkung der Betriebskosten um 8 %.

● Optimierung der Einspritzpumpe für Offshore-Plattformen: Durch die Verwendung von Laserinterferometrie zur Kontrolle des Spalts (±0.02 mm) konnte der volumetrische Wirkungsgrad einer Pumpe von 81 % auf 89 % verbessert und Vibrationsprobleme aufgrund übermäßiger Spalte behoben werden.

4. Optimierungsmethoden und Implementierungsschritte

4.1 Mathematisches Modell zur Spaltoptimierung

Basierend auf den Ähnlichkeitsgesetzen und Korrekturkoeffizienten von Kreiselpumpen lautet die Beziehung zwischen Spalt und Wirkungsgrad:

η = η₀(1 − k·δD)

Dabei ist δ der Spaltwert, D der Laufraddurchmesser und k ein empirischer Koeffizient (normalerweise 0.1–0.3).

4.2 Wichtige Implementierungstechnologien

●Präzisionsfertigung: CNC-Maschinen und Schleifwerkzeuge erreichen eine Präzision im Mikrometerbereich (IT7–IT8) für Laufräder und Gehäuse.

●In-Situ-Messung: Laserausrichtungswerkzeuge und Ultraschall-Dickenmessgeräte überwachen Lücken während der Montage, um Abweichungen zu vermeiden.

● Dynamische Anpassung: Bei hohen Temperaturen oder korrosiven Medien kommen austauschbare Dichtringe mit schraubenbasierter Feineinstellung zum Einsatz.

4.3 Überlegungen

● Reibungs-Verschleiß-Gleichgewicht: Zu kleine Spalte erhöhen den mechanischen Verschleiß; Materialhärte (z. B. Cr12MoV für Laufräder, HT250 für Gehäuse) und Betriebsbedingungen müssen ausgewogen sein.

● Kompensation der Wärmeausdehnung: Bei Hochtemperaturanwendungen (z. B. Heißölpumpen) sind Abstandsspalte (0.03–0.05 mm) erforderlich.

5. Zukünftige Trends

●Digitales Design: KI-basierte Optimierungsalgorithmen (z. B. genetische Algorithmen) ermitteln schnell optimale Lücken.

●Additive Fertigung: Der 3D-Metalldruck ermöglicht integrierte Laufradgehäuse-Designs und reduziert so Montagefehler.

●Intelligente Überwachung: Glasfasersensoren gepaart mit digitalen Zwillingen ermöglichen eine Echtzeit-Lückenüberwachung und Leistungsabfallvorhersage.

Fazit

Die Optimierung des Laufradspalts ist eine der direktesten Methoden zur Steigerung der Effizienz mehrstufiger vertikaler Turbinenpumpen. Durch die Kombination von Präzisionsfertigung, dynamischer Anpassung und intelligenter Überwachung lassen sich Effizienzsteigerungen von 5–15 % erzielen, der Energieverbrauch sinkt und die Wartungskosten werden reduziert. Mit Fortschritten in Fertigung und Analytik wird die Spaltoptimierung präziser und intelligenter und wird zu einer Kerntechnologie für die energetische Sanierung von Pumpen.

Hinweis: Praktische technische Lösungen müssen Medieneigenschaften, Betriebsbedingungen und Kostenbeschränkungen berücksichtigen und durch eine Lebenszykluskostenanalyse (LCC) validiert werden.