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Radialschub

Unter dem Radialschub wird in der Kreiselpumpentechnik eine durch Wechselwirkung von Laufrad und Pumpengehäuse oder Leitrad erzeugte hydraulische Radialkraft verstanden. 

Stationäre Radialkraft 

Die stationäre hydraulische Radialkraft (R) entsteht bei Spiralgehäusepumpen aus der Wechselwirkung zwischen Laufrad und Gehäuse. Ihr Vektor verändert seine Größe und Richtung mit dem Pumpenfördergrad (q) als Quotient vom eigentlichen Förderstrom (Q) und optimalen Förderstrom (Qopt). Der Betrag wächst mit der Dichte (ρ), der projizierten Laufradaustrittsfläche (B · D) und der Förderhöhe (H) bei einem konstanten Pumpenfördergrad (q) und unveränderter Richtung (ϕ). siehe Abb. 1 Radialschub

Ortskurven der Radialkraftvektoren R bei zentrischer und exzentrischer Position des Laufrades im Spiralgehäuse Abb. 1 Radialschub: Ortskurven der Radialkraftvektoren R bei zentrischer und exzentrischer Position des Laufrades im Spiralgehäuse einer Kreiselpumpe mit ns=26 min–1. Die Parameter bedeuten: Z Beginn der Ortskurve mit q = 0 bei zentrischer Lage des Laufrades; A , B , C , D Beginn der Ortskurven mit q = 0 bei einer Exzentrizität von 2 % des Laufradradius in Richtung A, B, C bzw. D (siehe Achsenkreuz) 1 q = 0,25 2 q = 0, 5 3 q = 0,75 4 q = 1,0 5 q = 1,25 6 q = 1,5

Der Radialschub beträgt:

R = K · ρ · g · H · D · B

R Radialkraft
K Radialkraftbeiwert siehe Abb. 2 Radialschub
ρ Dichte des Fördermediums
g Fallbeschleunigung
H Förderhöhe
D Laufradaußendurchmesser
B Laufradbreite am Austritt

Bei der Darstellung der Radialkraft (R) über dem Pumpenfördergrad (q) ergibt sich für Spiralgehäusepumpen im Berechnungspunkt (q = 1) ein Minimum, während die Radialkraft im Teillastgebiet (q < 1) und Überlastgebiet (q > 1) stark ansteigt (siehe Betriebsverhalten). Die Größe der Radialkräfte (R) hängt stark von der spezifischen Drehzahl (ns) ab. 

Bei einer exzentrischen Ausrichtung des Laufrades zum Grundkreis der Spirale treten aber auch im Berechnungspunkt deutliche dezentrierende Kräfte auf, während für andere Lastpunkte die Radialkräfte kleiner sein können. Die Darstellung der Ortskurven siehe Abb.1 der vom Zentrum ausgehenden Radialkraftvektoren (mit Verbindungslinien ihrer Endpunkte) für sechs verschiedene Pumpenfördergrade (q) und für eine zentrische sowie vier exzentrische Positionen des Laufrades im Pumpengehäuse (die Richtung A weist dabei zum Sporn der Spirale) im Polarendiagramm gilt für eine Spiralgehäusepumpe mit einer spezifischen Drehzahl von ns = 26 min-1

Für die Bestpunkte (bei q = 1) sind die Kraftvektoren RA,B,C,D bei allen fünf Ortskurven als Beispiel eingezeichnet. Im Bestpunkt führt die zentrische Läuferlage (Kurve Z) zu den kleinsten Radialkräften. Das Kraftminimum der übrigen Ortskurven für exzentrische Laufradpositionen ist größer und liegt außerhalb des Bestpunktes.

Theoretisch tritt bei Leitradpumpen keine Radialkraft auf, weil die Strömung am Umfang des Laufrades symmetrisch ist. In der Realität führen Ungenauigkeiten der Fertigung dazu, dass dennoch eine Radialkraft entsteht. Der maximale Betrag dieser Radialkraft kann mit einem Radialkraftbeiwert (K = 0,09) abgeschätzt werden. Dieser Wert gilt unabhängig vom Pumpenfördergrad (q). Die Richtung der Radialkraft bei Leitradpumpen ist zufällig. siehe Abb. 2 Radialschub


Größe des Radialkraftbeiwertes K bei einer Spiralgehäusepumpe in Abhängigkeit von der spezifischen Drehzahl ns und dem Pumpenför Abb. 2 Radialschub: Größe des Radialkraftbeiwertes K bei einer Spiralgehäusepumpe in Abhängigkeit von der spezifischen Drehzahl ns und dem Pumpenfördergrad q

Bei Laufrädern im Ringgehäuse sind die Kräfte bei Teillast am geringsten und steigen nach Überlast hin kontinuierlich an. Um kleinere Kräfte zu erzielen, kommen oft Doppelspiralgehäuse (siehe Pumpengehäuse) zum Einsatz. siehe Abb. 6 Spiralgehäusepumpe

Instationäre Radialkraft

Den stationären Radialkräften können instationäre, z. T. auch umlaufende Radialkräfte überlagert sein. Diese haben verschiedene Ursachen und Eigenschaften. Die bekanntesten instationären hydraulischen Radialkräfte sind die mit der Frequenz der Laufschaufelzahl mal Drehzahl. Diese Radialkräfte erscheinen mehr oder weniger stark bei allen Pumpenbauarten

Insbesondere bei Leitradpumpen (siehe Leitrad) treten bei Teillast und zentrischer Läuferlage umlaufende hydraulische Radialkräfte (Drehfrequenz bei etwa 1/10 der Pumpendrehzahl) auf.