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Betriebsverhalten

Das Betriebsverhalten einer Kreiselpumpe ist der Sammelbegriff für alle Pumpeneigenschaften (z. B. hydraulisch, mechanisch, akustisch) im jeweiligen Betriebspunkt. Die Lage des Betriebspunktes im Vergleich zum Berechnungspunkt beeinflusst das Betriebsverhalten von Kreiselpumpen wesentlich. Bei der Auswahl der Pumpen sollte daher der Betriebspunkt im Berechnungspunkt oder in dessen Nähe liegen. So sind die Energie- und Unterhaltskosten am niedrigsten und hydraulische Erregerkräfte minimal. In der Praxis kann der Betrieb abweichend vom Berechnungspunkt auch prozessbedingt, bspw. im Teil- oder Überlastbetrieb, notwendig sein. Mit zunehmender Abweichung des Betriebspunktes vom Berechnungspunkt kommt es aufgrund der ungünstigen Anströmung der Lauf- oder Leitschaufeln zu ungünstiger Strömung an den Schaufeln, oft auch zu Ablösungen der Strömung und damit zu mechanischen Schwingungen, Geräuschen sowie Kavitation. siehe Abb. 1 Betriebsverhalten

Betriebsverhalten Abb. 1 Betriebsverhalten

So verringert sich bspw. im Teillastbetrieb die Meridiankomponente (v1m) der Absolutgeschwindigkeit im Berechnungspunkt auf den Wert v1mT und die Relativgeschwindigkeit w1 auf w1T. Bei entsprechender Lage von w1T wird das Laufschaufelgitterprofil (siehe auch Strömungsprofil) so ungünstig angeströmt, dass die Relativströmung ablöst, weil sie der Schaufelkontur auf der Saugseite nicht folgen kann; im Überlastbetrieb auf der Druckseite (siehe Grenzschicht). 

Jegliche Strömungsablösungen stellen instationäre Strömungsvorgänge dar und stören erheblich die für die Förderhöhe am Laufschaufelgitterprofil notwendige Strömungsumlenkung. Sie verursachen Schwingungen (Geräusche) im Fördermedium, an strömungsführenden Bauteilen der Pumpe oder an mit der Pumpe verbundenen Bauteilen.

Das für einen Dauerbetrieb ungünstige Teillastverhalten von Kreiselpumpen wird neben der Strömungsablösung auch von Instabilitäten durch Teillastwirbel außen am Laufradein- und innen am Laufradaustritt bestimmt. Sie treten bei sehr großer Abweichung des Förderstroms vom Berechnungspunkt auf. Der saugseitige (S) Teillastwirbel und der druckseitige (D) Austauschwirbel können unabhängig voneinander auftreten, sind instationär und bei weiterer Reduzierung des Förderstroms meist gleichzeitig vorhanden. siehe Abb. 2 Betriebsverhalten
Betriebsverhalten: Teillastwirbel S und D bei einem Axialrad Abb. 2 Betriebsverhalten:Teillastwirbel S und D bei einem Axialrad

Der saugseitige Teillastwirbel (S) lässt sich über mehrere Saugleitungsdurchmesser entgegen der Strömungsrichtung nachweisen. Seine axiale Ausdehnung kann z. B. durch Rippen, Krümmer sowie Querschnittsänderungen begrenzt werden. Mit steigender spezifischer Schnellläufigkeit der Kreiselpumpe steigt die auf die Nutzleistung bezogene Intensität dieser Rückströmungen an. Dies führt bei spezifisch schnellläufigen Kreiselpumpen bei der Betriebsgrenze (Rumorgrenze) zu einer früheren Begrenzung des Fahrbereichs in Teillast. siehe Abb. 3 Betriebsverhalten
Betriebsverhalten: Kennfeld einer verstellbaren Propellerpumpe mit Betriebsgrenze Abb. 3 Betriebsverhalten: Kennfeld einer verstellbaren Propellerpumpe mit Betriebsgrenze

Auch im Überlastbereich existiert diese Grenze und sollte von spezifisch langsam- sowie schnellläufigen Pumpen nicht überschritten werden. Sie wird wesentlich vom Saugverhalten der Pumpe und von Druckseitenablösungen bestimmt. Spezifisch schnellläufige Kreiselpumpen wie Halbaxial- und Axialpumpen besitzen aufgrund des Teillastwirbels (S) im Teillastbereich Drosselkurven mit einem mehr oder weniger ausgeprägten Sattel. Dieser darf aufgrund erheblicher Schwingungen sowie evtl. auftretender Kavitation nur kurzzeitig durchfahren werden. Ein Dauerbetrieb ist vom Förderstrom Q = 0 bis zur Betriebsgrenze nicht erlaubt.

Abhängig von der Anlagenkennlinie können instabile Drosselkurven bei Pumpen mit hoher und niedriger spezifischer Schnellläufigkeit zu Problemen beim An- und Abfahren sowie zu undefinierten Betriebspunkten oder Pumpschwingungen führen. Werden Kreiselpumpen mit großen Förderhöhen und Leistungen im äußersten Teillastgebiet oder sogar bei geschlossenem Absperrorgan betrieben, so kommt es durch die große Leistungsübertragung der Antriebsmaschine zur schnellen Temperaturerhöhung im Fördermedium. Dies kann zu Verdampfung und damit zu Schäden an der Pumpe (durch Festfressen in den Drosselspalten) oder sogar zum Bersten der Pumpe (durch Anstieg des Dampfdrucks bei geschlossenem Rückschlagventil) führen. Das somit für einen störungsfreien Ablauf ungünstige Betriebsverhalten im Teillastgebiet kann durch ein Verschieben der Förderströme zu größeren Werten (mittels Bypass) und der Laufschaufelverstellung verbessert werden. 

Die Probleme bei Betriebspunkten abweichend vom Berechnungspunkt machen eine Einteilung in Betriebsbereiche sinnvoll, um den schadens- und störungsfreien Betrieb der Pumpe zu gewährleisten. Diese sind Dauer-, Kurzzeit- und Mindestmengenbetrieb sowie der unerlaubte Betriebsbereich. 

Einteilung der Betriebsbereiche 

  • Dauerbetrieb: Nur Betriebspunkte um den Berechnungspunkt werden zugelassen, um Schädigungen oder übermäßigen Verschleiß der Pumpe zu vermeiden. 
  • Kurzzeitbetrieb: Sollen Betriebspunkte zugelassen werden, die auf Dauer zu Schäden oder übermäßigem Verschleiß führen würden, dann sind die Betriebszeiten zeitlich zu begrenzen. Die Zeitgrenzen schwanken in Abhängigkeit von vielen Parametern stark. 
  • Mindestmengenbetrieb: Er ist zeitlich noch enger gefasst und ebenfalls individuell festgelegt. 

Unabhängig von den vielen Parametern wie bspw.Wirtschaftlichkeit, Verwendungszweck, absolute Leistung, Pumpengröße, Bauart, Teil- und Überlast, die zu einer individuellen Festlegung der Betriebsbereiche führen, werden die zulässigen Betriebsbereiche mit zunehmender spezifischer Schnellläufigkeit der Pumpen geringer.