1. Axialkrafterzeugung und Ausgleichsprinzipien

Die Axialkräfte in mehrstufigen  vertikale Turbinenpumpen  bestehen im Wesentlichen aus zwei Komponenten:

● Fliehkraftkomponente:Der radiale Flüssigkeitsfluss aufgrund der Zentrifugalkraft erzeugt einen Druckunterschied zwischen der Vorder- und Rückseite des Laufrads, was zu einer axialen Kraft führt (normalerweise in Richtung des Saugeinlasses gerichtet).

● Druckdifferenzeffekt:Der kumulative Druckunterschied über jede Stufe erhöht die Axialkraft weiter.

Auswuchtmethoden:

● Symmetrische Laufradanordnung:Durch die Verwendung von doppelflutigen Laufrädern (Flüssigkeit tritt von beiden Seiten ein) wird der unidirektionale Druckunterschied verringert und die Axialkraft auf ein akzeptables Maß (10–30 %) gesenkt.

● Design der Ausgleichsbohrung:Radiale oder schräge Löcher in der Laufradrückwand leiten Hochdruckflüssigkeit zurück zum Einlass und gleichen Druckunterschiede aus. Die Lochgröße muss durch strömungsdynamische Berechnungen optimiert werden, um Effizienzverluste zu vermeiden.

● Umgekehrtes Klingendesign:Durch Hinzufügen von Rückwärtsschaufeln (gegenüber den Hauptschaufeln) in der letzten Stufe wird eine Gegenzentrifugalkraft erzeugt, um axiale Belastungen auszugleichen. Wird häufig in Hochdruckpumpen verwendet (z. B. mehrstufigen vertikalen Turbinenpumpen).

2. Radiale Lasterzeugung und Ausgleich

Radiale Belastungen entstehen durch Trägheitskräfte während der Rotation, ungleichmäßige Flüssigkeitsdruckverteilung und Restunwucht in der Rotormasse. Akkumulierte radiale Belastungen in mehrstufigen Pumpen können zu Lagerüberhitzung, Vibrationen oder Rotorfehlausrichtung führen.

Ausgleichsstrategien:

● Optimierung der Laufradsymmetrie:

o Durch die Anordnung der Blätter mit geraden und ungeraden Anteilen (z. B. 5 Blätter + 7 Blätter) werden die radialen Kräfte gleichmäßig verteilt.

o Durch dynamisches Auswuchten wird sichergestellt, dass der Schwerpunkt jedes Laufrads auf der Rotationsachse ausgerichtet ist, wodurch die verbleibende Unwucht minimiert wird.

● Strukturelle Verstärkung:

o Starre Zwischenlagergehäuse schränken die radiale Verschiebung ein.

o Kombinierte Lager (z. B. zweireihige Axialkugellager + Zylinderrollenlager) bewältigen axiale und radiale Belastungen getrennt.

● Hydraulischer Ausgleich:

o Leitschaufeln oder Rücklaufkammern in Laufradspalten optimieren die Strömungswege und reduzieren lokale Wirbel und Radialkraftschwankungen.

3. Kraftübertragung in mehrstufigen Laufrädern

Axialkräfte sammeln sich stufenweise an und müssen beherrscht werden, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden:

● Stufenweises Auswuchten:Durch den Einbau einer Ausgleichsscheibe (z. B. in mehrstufigen Kreiselpumpen) werden Axialspaltdruckunterschiede zum automatischen Ausgleich der Axialkräfte genutzt.

● Steifigkeitsoptimierung:Pumpenwellen bestehen aus hochfesten Legierungen (z. B. 42CrMo) und werden mittels Finite-Elemente-Analyse (FEA) auf Durchbiegungsgrenzen (typischerweise ≤ 0.1 mm/m) validiert.

4. Technische Fallstudie und Berechnungsüberprüfung

Ejemplo:Eine mehrstufige chemische Vertikalturbinenpumpe (6 Stufen, Gesamtförderhöhe 300 m, Fördermenge 200 m³/h):

● Axialkraftberechnung:

o Ursprünglicher Entwurf (einflutiges Laufrad): F=K⋅ρ⋅g⋅Q2⋅H (K=1.2−1.5), was 1.8×106N ergibt.

o Nach der Umstellung auf ein doppelflutiges Laufrad und dem Hinzufügen von Ausgleichslöchern: Reduzierung der Axialkraft auf 5×105N, Erfüllung der API 610-Standards (≤1.5× Nenndrehmoment).

● Radiallastsimulation:

ANSYS Fluent CFD zeigte lokale Druckspitzen (bis zu 12 kN/m²) in nicht optimierten Laufrädern. Durch den Einsatz von Leitschaufeln konnten die Spitzen um 40 % und der Lagertemperaturanstieg um 15 °C reduziert werden.

5. Wichtige Designkriterien und Überlegungen

● Axialkraftgrenzen: Normalerweise ≤ 30 % der Zugfestigkeit der Pumpenwelle, bei einer Axiallagertemperatur von ≤ 70 °C.

● Kontrolle des Laufradspiels: Wird zwischen 0.2 und 0.5 mm gehalten (zu klein verursacht Reibung; zu groß führt zu Leckage).

● Dynamische Tests: Auswuchttests bei voller Geschwindigkeit (Klasse G2.5) gewährleisten die Systemstabilität vor der Inbetriebnahme.

Fazit

Der Ausgleich axialer und radialer Lasten in mehrstufigen vertikalen Turbinenpumpen ist eine komplexe systemtechnische Herausforderung, die Strömungsdynamik, mechanische Konstruktion und Werkstoffkunde umfasst. Die Optimierung der Laufradgeometrie, die Integration von Ausgleichsvorrichtungen und präzise Fertigungsprozesse erhöhen die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Pumpe erheblich. Zukünftige Fortschritte in der KI-gestützten numerischen Simulation und der additiven Fertigung werden ein personalisiertes Laufraddesign und eine dynamische Lastoptimierung ermöglichen.

Hinweis: Kundenspezifische Designs für bestimmte Anwendungen (z. B. Flüssigkeitseigenschaften, Geschwindigkeit, Temperatur) müssen internationalen Standards wie API und ISO entsprechen.