Axialschub

Der Axialschub ist die Resultierende aller auf den Pumpenläufer einwirkenden Axialkräfte (F). siehe Abb. 1 Axialschub

Auf den Läufer einwirkende Axialkräfte bei einer einstufigen Kreiselpumpe

• Laufradaxialkraft (F₁) ist die Differenz aus den axialen Druckkräften auf die druckseitige (F_d) und saugseitige (F_s) Laufraddeckscheibe F₁ = F_d – F_s
• Impulskraft (F_J) ist eine Kraft, die stets auf die im Kontrollraum eingeschlossene Flüssigkeit gerichtet ist (siehe Impulssatz, Strömungslehre). Sie wird wie folgt berechnet:
• F_J = ρ · Q · Δv_ax
  Q      Förderstrom
  ρ       Dichte des Fördermediums
  Δv_ax   Differenz der Axialkomponenten der Absolutgeschwindigkeit am Laufradein-           und -austritt
• resultierende Druckkräfte auf den entsprechenden Wellenquerschnitt A_Wd aufgrund von statischen Drücken vor und hinter der Wellendichtung (Wd):
  F_Wd = A_Wd · Δp_Wd
• besondere Axialkräfte bspw. im Anlaufvorgang bei Änderung der Wirbelzustände in den Radseitenräumen (siehe Radseitenreibung)
• sonstige Axialkräfte wie Rotor-Gewichtskraft (F_G) bei nicht horizontalen Kreiselpumpen oder durchmagnetischen Zug im Elektromotor (F_mech) wie bei Blockpumpen

Der Axialschubanteil (F₁ + F_J) von nicht entlastetengeschlossenen Laufrädern (d. h. mit saugseitiger Deckscheibe) beträgt:

α       Axialschubbeiwert (Erfahrungswert)
ρ       Dichte des Fördermediums
g       Fallbeschleunigung
H      Förderhöhe
D_2m       mittlerer Laufradaustrittsdurchmesser

Der Axialschubbeiwert ist im Wesentlichen von der spezifischen Drehzahl (n_s) abhängig. Für radiale und halbaxiale Laufräder kann im Bereich 6<ns<130min^–1 angesetzt werden:

α=0,5 · (D_sp/D_2m)³ + 0,09  ≈ 0,1 − 0,3

D_sp  Durchmesser der Spaltdichtung an der
       saugseitigen Laufraddeckscheibe

siehe Abb. 2 Axialschub

Diese Gleichung gilt für Förderströme (Q) von 0,8 · Q_opt bis 1,0 · Q_opt sowie für die Spaltweite s = 0,1 mm. Bei doppelt großer Spaltweite wächst α um 8 %.

Bei mehrstufigen Pumpen mit Leitrad (z. B. Kesselspeisepumpen) ist die Laufradaxialkraft (F₁) von der axialen Lage des Laufrades gegenüber dem Leitrad stark abhängig. Bei offenen radialen Laufrädern mit saugseitig fehlender Deckscheibe ist die Axialkraft (F_s) viel niedriger als bei geschlossener Ausführung und somit die Laufradaxialkraft (F₁) größer.

Offene Laufräder mit zwischen den Laufschaufeln ausgesparten Deckscheiben entwickeln eine geringere Druckkraft (F_d) und somit auch eine kleinere Axialkraft (F₁) als mit nicht ausgesparter druckseitiger Deckscheibe. siehe Abb. 13 Laufrad

Bei axialen Propellern ist der Axialschubbeiwert (α) nahezu gleich dem Reaktionsgrad (r_th). Der Axialschub kann dann wie folgt überschlägig mithilfe des Außendurchmessers des Propellers (D_A) berechnet werden:

Für den Anteil F₁ am Axialschub siehe Abb. 1 Axialschub besteht bei geometrisch ähnlichen Pumpen bei einer bestimmten Drehzahl (n) und dem größten Laufraddurchmesser (D₂) folgende Proportionalität:

Die axialen Druckkräfte (F_d) und (F_s) werden stark durch die Rotation des Fördermediums indem druckseitigen und in dem saugseitigen Radseitenraum beeinflusst. Die mittlere Winkelgeschwindigkeit (siehe Drehzahl) des rotierenden Fördermediums erreicht ca. die halbe des Laufrades. Zusätzlich facht die Spaltdurchströmung nach innen im saugseitigen (äußeren) Seitenraum aufgrund von Coriolis-Beschleunigungen den Radseitenwirbel noch an. Im druckseitigen (inneren) Seitenraum mehrstufiger Pumpen mit unentlasteten Laufrädern kehrt sich wegen des Spaltstromes dieser Vorgang nach außen um. Der Wirbel wird abgebremst, wodurch sich die Axialkraft F_d und damit auch F₁ erhöhen.

Die Laufradaxialkraft ist im Anlaufvorgang größer als im Betriebszustand der stetigen Bewegung, da das Fördermedium durch die Radseitenreibung in den Laufradseitenräumen erst langsam in Rotation gerät, was abhängig von der antreibenden Wirkung der Radseitenwände oder abbremsenden Wirkung stehender Gehäusepartien ist.

Verschiedene Arten des Axialschubausgleichs

• mechanisch: vollständige Aufnahme durch ein Axiallager (z. B. Gleitlager, Wälzlager)
• konstruktiv: gegenläufige Anordnung von Laufrädern bzw. Stufen (siehe gegenläufige Pumpe) und Aufnahme des Restschubs durch ein Axiallager
• Ausgleich oder Absenkung am einzelnen Laufrad durch Entlastungsbohrungen  siehe Abb. 7 und 9 Axialschub
• Ausgleich am gesamten Laufzeug durch Entlastungseinrichtung mit selbsttätigem Ausgleich (z. B. Entlastungsscheibe und Gegenscheibe) oder teilweisem Ausgleich durch Entlastungskolben und Doppelkolben
• Reduzierung am einzelnen Laufrad durch Rückenschaufeln (dynamische Wirkung) siehe Abb. 8 Axialschub

Mechanischer Axialschubausgleich
Die Aufnahme des Axialschubs durch ein Wälzlager ist die wirkungsgradmäßig günstigste Lösung. Aufwendige Axialgleitlager können den Wirkungsgrad- und Preisvorteil aufgrund fehlender Sondereinrichtungen aufzehren.

Konstruktiver Axialschubausgleich
Bei der Laufradanordnung in einer Pipelinepumpe mit vierstufiger, je 2 x 2 gegenläufiger Anordnung kann maximal der zweifache Stufenaxialschub auftreten, falls anlagenseitig bedingt zwei Stufen kavitieren.
siehe Abb. 5 Axialschub
Wird jedoch eine aufwändigere, jeweils wechselseitig gegenläufige Laufradanordnung genutzt, tritt maximal der einfache Stufenaxialschub auf.
Beide Pumpenbauarten benötigen deshalb entsprechend starke Axiallager. siehe Abb. 6 Axialschub

Möglichkeiten zur Axialschubaufhebung

• zweiströmige Laufradanordnung (Laufrad, mehrströmige Pumpe) siehe Abb. 3 Axialschub
• zweistufig gegenläufige Laufradanordnung (gegenläufige und mehrstufige Pumpe, Laufrad) siehe Abb. 4 Axialschub
• mehrstufige gegenläufige Laufradanordnung siehe Abb. 5 Axialschub
• wechselseitig gegenläufige Laufradanordnung (z. B. Pipelinepumpen) siehe Abb. 6 Axialschub

Axialschubausgleich am Laufrad

Bei der ältesten Art der Axialschubentlastung wird der Druck in einer mit Drosselspalt versehenen Kammer, meist auf Druck des Laufradeintritts, entspannt. Der Druckausgleich erfolgt durch Entlastungsbohrungen im Laufrad.

Diese Entlastungsart kann bei unterschiedlichen Zulaufbedingungen zu unterschiedlichem Axialschub führen. siehe Abb. 7 Axialschub

Die dynamische Wirkung auf die Größe des Axialschubes besteht in der Beeinflussung der Winkelgeschwindigkeit (siehe Drehzahl). Eine Erhöhung erfolgt meistens durch Rückenschaufeln, die auf der Laufradrückseite radial angeordnet sind.

Durch die höhere mittlere Winkelgeschwindigkeit des Radseitenraumwirbels entsteht ein geringerer, auf der druckseitigen (inneren) Laufraddeckscheibe  lastender statischer Druck. Dieser führt zur Senkung der Axialkraft F_d und damit auch von F₁. siehe Abb. 8 Axialschub

Die meist radialen Rückenschaufeln werden in ihren Durchmessern (D_Rü.a , D_Rü.i), in der Seitenraumtiefe (a), in der Schaufelhöhe (h) und -zahl (z) variiert. Der Leistungsbedarf für diese Art von Axialschubausgleich hängt von der Bemessung der Rückenschaufeln ab. Der Pumpenwirkungsgrad kann sich durch Rückenschaufeln um bis zu drei Punkten vermindern. siehe Abb. 8 Axialschub

Ein vergleichbarer Effekt wird gezielt bei der Laufradentlastung durch druckseitig angebrachte Entlastungbohrungen ohne zweiten druckseitigen Dichtring erreicht. Mit der nach innen gerichteten Spaltströmung wird ein Drehimpuls in den Seitenraum eingebracht, der die örtliche Winkelgeschwindigkeit erhöht und damit den statischen Druck reduziert. siehe Abb. 9 Axialschub

Alle hydraulischen Entlastungseinrichtungen sind bei Förderstrom Q_opt voll wirksam. Bei Teillast und Überlast, treten Restkräfte auf, die von den Axiallagern aufgenommen werden müssen. siehe Abb. 7 bis 9 Axialschub

Axialschubausgleich durch Entlastungseinrichtungen

Arten von Entlastungseinrichtungen

• Entlastungsscheibe mit Gegenscheibe und Rückführung des Entlastungsstromes siehe Abb. 10 Axialschub
• Entlastungskolben mit Rückführung des Entlastungsstromes und Axiallager siehe Abb. 11 Axialschub
• Doppelkolben mit Rückführung des Entlastungsstromes und Axiallager siehe Abb. 12 Axialschub

Bei allen drei Ausführungen wird der Entlastungsstrom (siehe Bypass) in den Saugstutzen der Pumpe (evtl. mit Kühlung des Entlastungsstromes) oder in den Zulaufbehälter der Kreiselpumpe zurückgeführt.

Während der Spaltstrom (siehe Spaltverlust) beider Entlastungsscheibe durch das sich sehr eng einstellende axiale Spiel (s) klein bleibt und so der Pumpenwirkungsgrad nur wenig gemindert wird, verursacht der Entlastungskolben aufgrund seiner größeren radialen Spaltweiten und damit größeren Spaltströme einen stärkeren Wirkungsgradabfall, der zusätzlich durch das noch notwendige Axiallager bedingt wird. siehe Abb. 11 Axialschub

Zur Senkung des hohen Spaltstromes werden labyrinthartige Spaltdichtungen (z. B. Doppelkolben- Entlastungseinrichtungen) eingesetzt.
Diese erlauben aufgrund des größeren axialen Spiels (s) ein zusätzliches Axiallager, das hauptsächlich mechanischen Anlauf in der Entlastungspartie verhindern kann. siehe Abb. 12 Axialschub

Zum Anlaufen kann es beim Anlaufvorgang, beim betriebsmäßig bedingten Fahren im äußersten Überlastgebiet (Betriebsverhalten) oder bei Kavitation kommen. Die Lage des Pumpenläufers und evtl. der Zustand des Verschleißes der Entlastungseinrichtung oder des Axiallagers wird durch einfache, im Betrieb beobachtbare Anlaufkontrolleinrichtungen angezeigt.