Nassauswuchtung verringert Schwingungen im Abwasserpumpenlaufrad S-tube® um bis zu 70 Prozent

Wie ein Ungleichgewicht ein Gleichgewicht schafft
Die Lösung: Nassauswuchtung

Geschlossene Laufräder gibt es zwar schon seit Jahrzehnten. Doch bis jetzt kam es in Abwasseranwendungen immer zu Problemen mit Schwingung, Verstopfung und Ineffizienz.

Bei der Entwicklung des S-tube®-Laufrads haben sich die Ingenieure von Grundfos auf drei wesentliche Probleme konzentriert:

- Effizienz

  • Verstopfung
  • Schwingung

Zuerst behandelten sie die ersten beiden Probleme, berichtet Flemming Lykholt-Ustrup, Leiter der Bereiche Mechanik und Hydraulik bei Grundfos Holding A/S. Die S-tube®-Laufräder von Grundfos ermöglichen nicht nur einen kompromisslosen, freien sphärischen Durchgang durch die Pumpe, sondern haben auch gegenüber herkömmlichen Kanal-Laufrädern die Effizienz um 20 Prozent gesteigert.

ABBILDUNG 1: Die Leistung eines S-tube®-Laufrads in einer Abwasserpumpe SL1 von Grundfos mit 15 kW. Mehr als die Hälfte des Durchflussbereiches der Pumpe hat eine Hydraulikeffizienz von über 75 Prozent. Quelle: Grundfos

Das letzte Problem, das bewältigt werden musste, war also die Schwingung.

„Mithilfe eines mehrflügligen Laufrads werden Flüssigkeit und Druck über die gesamte Fläche des Laufrads gleichmäßiger verteilt. In einem Einkanal-Laufrad hingegen ist die Druckverteilung asymmetrisch“, erklärt Flemming Lykholt-Ustrup. „Das herkömmliche und bekannte Einkanal-Laufrad hat zwar den großen Vorteil, dass es eine hohe Hydraulikeffizienz bietet. Aber es ist auch bekannt für mögliche Probleme mit der Schwingung.“

Auf der Suche nach Abhilfe für die Schwingung

Schwingung war schon immer ein Problem bei Laufrädern – und sie stellte zu Beginn eine Herausforderung für das neue S-tube®-Laufrad von Grundfos dar. Bei den ersten Labortests hat sich das Laufrad zwar effizient und robust gezeigt, doch gleichzeitig hat es übermäßig vibriert. Schwingungen können zu einem vorzeitigen Verschleiß der Komponenten, Beschädigungen an den mechanischen Wellendichtungen und den Kupferwicklungen, zu Leistungsverlusten und sogar zu Pumpenausfällen führen.

Normalerweise liegen die akzeptablen Schwingungspegel für Pumpenlaufräder bei 3 bis 7 mm/s. Diese Richtlinien gelten allerdings für mehrflüglige Laufräder und Pumpen, die sauberes Wasser verwenden. Für Abwasserpumpen mit Einkanal-Laufrädern gibt es jedoch keine Richtlinien. Deshalb sind die Schwingungspegel in Abwasserpumpen oft viel höher. Dies ist auf die hydrodynamischen Eigenschaften einer Einkanal-Pumpe und den variierenden Feststoff- und Luftgehalt von Abwasser zurückzuführen, sowie auf Schwankungen des eingehenden Durchflusses. Auch wenn dies nicht ideal ist, hat die Abwasseraufbereitungsindustrie diese höheren Schwingungspegel größtenteils toleriert.

Grundfos hat sich daran gemacht, diese Standards zu ändern, indem es die Schwingung auf einen Pegel reduziert hat, der niedriger ist als der von Abwasserpumpen mit mehrflügligen Laufrädern, erzählt Flemming Lykholt-Ustrup.

Video: Optimierung der Hydraulikkräfte und des Anzugsmoments im S-tube®-Laufrad von Grundfos

Nassauswuchtung ist die Lösung
Eine bestimmte Art von Schwingung ist Ungleichgewicht bzw. die Schwingung, die durch rotierende Maschinen erzeugt wird. Eines der Hauptziele des S-tube®-Laufrads von Grundfos ist es, den Schwingungspegel und so auch den Geräuschpegel auf ein Minimum zu reduzieren, um eine lange Lebensdauer der wichtigsten Komponenten sicherzustellen, wie z. B. der Lager und der Wellendichtungen.

„Der herkömmliche Ansatz, um ein Ungleichgewicht zu reduzieren und dafür zu sorgen, dass der Motor rund läuft, besteht darin, das Ungleichgewicht in den rotierenden Komponenten zu minimieren und so Schwingung zu vermeiden“, erklärt Flemming Lykholt-Ustrup. „Doch aufgrund ungleichmäßiger Druckkräfte reicht das nicht aus.“

Grundfos verfolgt einen anderen Ansatz, um das Ungleichgewicht in Pumpen zu reduzieren: die Nassauswuchtung.

„Bei der Nassauswuchtung handelt es sich um ein statisches und dynamisches Auswuchtungsverfahren, das dem ähnelt, das wir für das Auswuchten von Autoreifen verwenden“, erläutert er. „Der Unterschied ist, dass sich bei der Nassauswuchtung das Laufrad in vollkommenem Gleichgewicht befindet, wenn das Pumpengehäuse und das Laufrad unter Wasser getaucht werden oder mit Wasser befüllt werden. Durch das vollkommene Gleichgewicht unter Wasser stellen wir optimale Betriebsbedingungen sicher. In manchen Fällen erreichen wir Schwingungspegel, die unter den Pegeln liegen, die für standardmäßige Motoren gelten.“ Hinzu kommt, dass die Pumpenindustrie kürzlich ähnliche Verfahren zur Nassauswuchtung ausprobiert hat – jedoch ohne Erfolg.

Die Nassauswuchtung beinhaltet das Herbeiführen einer absichtlichen mechanischen Asymmetrie, um den dynamischen Kräften durch die Druckschwankungen in der Pumpe entgegenzuwirken.

Dieser Ansatz kann zwar nicht die ganze Bandbreite der unstetigen Kräfte angehen, sagt er. Dennoch wird er mit der größten Quelle der Vibration fertig.

Um die wesentliche Vibration in der Pumpe zu reduzieren, hat Grundfos die unstetigen Hydraulikkräfte mit den unstetigen mechanischen Kräften kombiniert, die aus der Nassauswuchtung hervorgehen, um so ein Gleichgewicht zu erhalten, erklärt er.

„Wir berechnen die Kräfte, die beim Pumpen auf das Laufrad einwirken – die direkte Kraft und den Anzugsmoment – und diese ändern sich offensichtlich, je nachdem wie groß der Durchfluss durch die Pumpe ist“, sagt er. „Wir können all diese Kräfte nicht auf Null setzen. Das ist etwas, das wir ausgleichen müssen. Also haben wir unser eigenes Rezept entwickelt, wie das gehen kann – wie wir das Laufrad aus dem Gleichgewicht bringen können.“

Tests haben eine erhebliche Reduzierung der Schwingung gezeigt. Durch die Nassauswuchtung in seinen Einkanal-S-tube®-Laufrädern hat Grundfos die Schwingungspegel um 50 bis 70 Prozent reduziert, berichtet Flemming Lykholt-Ustrup.

Diese Ergebnisse bedeuten robustere und zuverlässigere Pumpen für Grundfos, ergänzt er, weil die dynamische Auswuchtung der Laufräder und Rotoren von entscheidener Bedeutung für die Verlängerung von Zuverlässigkeit und Funkion der Pumpenanlage ist.

Lesen Sie die Produktbroschüre.

Verweise
API Standard 670
Europump Vibration Standards First Edition July 2013
ANSI/HI 9.6.4. -2009

Text von Bryan Orchard





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