Sowohl Anwender als auch Hersteller erwarten Axialpumpe mit geteiltem Gehäuse um immer am Besten Wirkungsgradpunkt (BEP) zu arbeiten. Leider weichen die meisten Pumpen aus vielen Gründen vom BEP ab (oder arbeiten bei Teillast), aber die Abweichung variiert. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Strömungsphänomene bei Teillast zu verstehen.

Teillastbetrieb

Unter Teillastbetrieb versteht man einen Betriebszustand der Pumpe, bei dem die Volllast (meist der Auslegungspunkt bzw. der Bestpunkt) nicht erreicht wird.

Scheinbare Erscheinungen der Pumpe bei Teillast

Wenn das Axialpumpe mit geteiltem Gehäuse Wird der Motor bei Teillast betrieben, treten in der Regel folgende Ereignisse auf: innerer Rückfluss, Druckschwankungen (also die sogenannte Erregerkraft), erhöhte Radialkraft, erhöhte Vibration und erhöhte Geräuschentwicklung. In schweren Fällen können auch Leistungseinbußen und Kavitation auftreten.

Spannende Kraft und Quelle

Unter Teillastbedingungen kommt es zu Strömungsablösungen und Rückströmungen im Laufrad und Diffusor bzw. Spiralgehäuse. Dadurch entstehen Druckschwankungen um das Laufrad herum, die die sogenannte Erregerkraft erzeugen, die auf den Pumpenrotor wirkt. Bei Hochgeschwindigkeitspumpen übersteigen diese instabilen hydraulischen Kräfte die mechanischen Unwuchtkräfte meist bei weitem und sind daher meist die Hauptquelle der Schwingungsanregung.

Die Rückströmung der Strömung vom Diffusor bzw. Spiralgehäuse zurück zum Laufrad und vom Laufrad zurück zum Saugstutzen führt zu einer starken Wechselwirkung zwischen diesen Komponenten. Dies hat großen Einfluss auf die Stabilität der Förderhöhen-Durchfluss-Kurve und die Erregerkräfte.

Die vom Diffusor oder der Spirale zurückgeführte Flüssigkeit interagiert auch mit der Flüssigkeit zwischen der Laufradseitenwand und dem Gehäuse. Daher hat sie Auswirkungen auf den Axialschub und die durch den Spalt fließende Flüssigkeit, was wiederum einen großen Einfluss auf die dynamische Leistung des Pumpenrotors hat. Um die Vibration des Pumpenrotors zu verstehen, müssen daher die Strömungsphänomene unter Teillast verstanden werden.

Strömungsphänomene bei Teillast

Wenn die Differenz zwischen dem Betriebszustandspunkt und dem Auslegungspunkt (normalerweise dem Punkt mit dem besten Wirkungsgrad) allmählich zunimmt (Verschiebung in Richtung kleiner Strömung), bildet sich aufgrund der ungünstigen Anströmung eine instabile Flüssigkeitsbewegung an den Laufrad- oder Diffusorschaufeln, was zu Strömungsablösung (Abströmung) und mechanischer Vibration führt, begleitet von erhöhtem Lärm und Kavitation. Beim Betrieb unter Teillast (d. h. bei niedrigen Strömungsraten) zeigen die Schaufelprofile sehr instabile Strömungsphänomene – die Flüssigkeit kann der Kontur der Saugseite der Schaufeln nicht folgen, was zu einer Ablösung der relativen Strömung führt. Die Ablösung der Flüssigkeitsgrenzschicht ist ein instabiler Strömungsprozess und stört die für die Förderhöhe erforderliche Ablenkung und Drehung der Flüssigkeit an den Schaufelprofilen erheblich. Sie führt zu Druckpulsationen der verarbeiteten Flüssigkeit im Pumpenströmungsweg oder an den mit der Pumpe verbundenen Komponenten, Vibrationen und Lärm. Neben der Ablösung der Flüssigkeitsgrenzschicht führen die anhaltend ungünstigen Teillastbetriebseigenschaften der geteilter Fall Pumpe sind auch von der Instabilität der externen Teillastrückströmung am Laufradeintritt (Einlassrückströmung) und der internen Teillastrückströmung am Laufradaustritt (Auslassrückströmung) betroffen. Die externe Rückströmung am Laufradeintritt tritt auf, wenn ein großer Unterschied zwischen der Durchflussmenge (Unterströmung) und dem Auslegungspunkt besteht. Unter Teillastbedingungen ist die Strömungsrichtung der Einlassrückströmung entgegengesetzt zur Hauptströmungsrichtung in der Saugleitung – sie kann in einer Entfernung erkannt werden, die mehreren Saugleitungsdurchmessern in entgegengesetzter Richtung der Hauptströmung entspricht. Die Ausdehnung der axialen Strömung der Rückströmung wird beispielsweise durch Trennwände, Krümmungen und Änderungen des Rohrquerschnitts eingeschränkt. Wenn eine axiale Spaltung Gehäusepumpe bei hoher Förderhöhe und hoher Motorleistung im Teillast-, Minimallast- oder gar Totlastbetrieb wird die hohe Leistung des Antriebs auf das Fördermedium übertragen und führt zu einem raschen Temperaturanstieg. Dies führt wiederum zum Verdampfen des Fördermediums und damit zur Beschädigung der Pumpe (Spaltverklemmung) oder sogar zum Bersten der Pumpe (Dampfdruckanstieg).

Minimale kontinuierlich stabile Durchflussrate

Ist bei derselben Pumpe die minimale kontinuierliche stabile Durchflussrate (oder der Prozentsatz der Durchflussrate am besten Wirkungsgrad) dieselbe, wenn sie mit fester oder variabler Drehzahl läuft?

Die Antwort ist ja. Da die minimale kontinuierliche stabile Durchflussrate der Axialspaltgehäusepumpe mit der spezifischen Sauggeschwindigkeit zusammenhängt, wird, sobald die Pumpentypstrukturgröße (durchflussführende Komponenten) bestimmt ist, ihre spezifische Sauggeschwindigkeit bestimmt und der Bereich, in dem die Pumpe stabil arbeiten kann, bestimmt (je größer die spezifische Sauggeschwindigkeit, desto kleiner der stabile Betriebsbereich der Pumpe), d. h. die minimale kontinuierliche stabile Durchflussrate der Pumpe wird bestimmt. Daher ist für eine Pumpe mit einer bestimmten Strukturgröße ihre minimale kontinuierliche stabile Durchflussrate (oder der Prozentsatz der Durchflussrate am besten Wirkungsgradpunkt) gleich, unabhängig davon, ob sie mit fester oder variabler Geschwindigkeit läuft.