Der Dreh mit der Krümmung

Jürgen Ahlfeldt

Ziel einer guten Laufradauslegung ist es, die Strömung über dem gesamten Laufradeintritt stoßfrei anzulegen. Mit einfach gekrümmten Kreisbogenschaufeln, wie es bei fast allen Kunststoffpumpen üblich ist, ist Stoßfreiheit nur für einen Punkt auf der Eintrittskante gegeben. Wird die Laufradschaufel räumlich gekrümmt, so wird die gesamte Eintrittskante stoßfrei, und stoßfrei bedeutet: besserer Wirkungsgrad, niedrige NPSH-Werte, Reduzierung der Geräusche und mechanischen Schwingungen sowie weniger Verschleiß.

Die Konstruktion und Herstellung von Laufrädern mit räumlich gekrümmten Schaufeln (Abb. 1) fällt wesentlich kostenintensiver aus als die Fertigung von Laufrädern mit Kreisbogenschaufeln (Abb. 2) oder ähnlichen Geometrien.

Trotzdem würde kein Konstrukteur von metallischen Laufrädern die preiswerte Laufradgeometrie bevorzugen, da die räumlich gekrümmten Laufradschaufeln dem Betreiber der Pumpe wesentliche Vorteile bieten. So zeichnen sich Laufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln gegenüber Laufrädern mit einfachen Geometrien durch folgende Merkmale aus:

• Mehr Fördermenge bei gleichem Druck,

• Reduzierung der Energiekosten bis zu 10 %,

• Verbesserung des Saugverhaltens durch niedrige NPSH-Werte,

• Verschleißminimierung bei abrasiven Fördermedien,

• längere Lebensdauer der Wälzlager und Gleitringdichtung,

• Absenkung des Geräuschpegels.

Nur wenige Hersteller von Kunststoffpumpen sind in der Lage, Laufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln in Serie zu fertigen. Die Ursache liegt primär in den hohen Kosten zur Beschaffung der entsprechenden Bearbeitungsmaschinen und den relativ geringen Erträgen, die man mit Kunststoffpumpen erzielt. Somit sind nur jene Hersteller von Kunststoffpumpen in der Lage, hohe Summen in entsprechende Fertigungsmaschinen zu investieren, die große Marktanteile besitzen. Zwei unterschiedliche Möglichkeiten bieten sich dem Pumpenhersteller, seine Kunststofflaufräder mit räumlich gekrümmten Schaufeln zu fertigen: Zum einen kann er thermoplastische Kunststoffe extrudieren und in eine Form einspritzen, zum anderen kann er aus einem Halbzeug die Laufradgeometrie herausfräsen.

Werden Serienpumpen mit Einheitslaufrädern produziert, wird sich der Hersteller wohl für die nach dem Extruderverfahren gefertigten Laufräder entscheiden, jedoch mit dem Nachteil, daß er nicht flexibel auf mögliche hydraulische Anforderungen reagieren kann. Hierin liegt der Vorteil jenes Herstellers, der seine Laufräder aus Halbzeug herausfräst. Ausgehend von seinem Standard-Laufrad-Programm kann er im Bedarfsfall die Schaufelgeometrie ideal an die Betriebsbedingungen anpassen.

Ausgehend von den Betriebsbedingungen wird der Berechnungsingenieur immer anstreben, den idealen Betriebspunkt für die Pumpe festzulegen. Speziell bei großen Pumpen mit Leistungen von bis zu 800m³/h, wie sie häufig in Rauchgasreinigungsanlagen nach der Müllverbrennung vorkommen, wird er bestrebt sein, daß die Pumpe im Punkt ihres besten Wirkungsgrades arbeitet. Denn hier bedeutet jeder gewonnene Prozentpunkt eine Reduzierung der Betriebskosten. Soll die Pumpe zur Förderung von abrasiven Medien eingesetzt werden, muß der Berechnungsingenieur ebenfalls den Betriebspunkt so legen, daß die Pumpe möglichst im Punkt des besten Wirkungsgrades arbeitet, denn in einem Bereich von ±10% – vom Punkt des besten Wirkungsgrades aus gesehen – ist die Abrasion am geringsten (Abb. 3).

In Eindampfanlagen muß der NPSH-Wert der Pumpe häufig an die schlechten Zulaufbedingungen angepaßt werden. In dem Fall legt der Berechnungsingenieur den Betriebspunkt der Pumpe links vom Punkt des besten Wirkungsgrades, denn dort befindet sich der niedrigste NPSH-Wert der Pumpe (Abb. 4).

Durch Umweltauflagen werden zunehmend geringe Geräuschemissionen gefordert. Auch durch die Berechnung einer ideal verlaufenden Strömungsführung in den Laufradkanälen können die Geräuschpegel der Pumpen erheblich reduziert werden.

Damit die Laufräder an den Betriebspunkt der Anlage angepaßt werden können, muß zuerst eine rechnergestützte Auslegung der Schaufelgeometrie erfolgen. Diese Laufräder bilden bei diesem Pumpenanbieter das Standardlieferprogramm. Damit lassen sich annähernd 80 % aller Bedarfsfälle abgedecken. Die restlichen Laufräder werden rechnerisch optimiert, bei gleichzeitiger Festlegung der einzelnen Arbeitsschritte für den ebenfalls rechnergestützten Fünfachsen-Fräser (Abb. 5). Im Auftragsfall werden die festgelegten Daten direkt an den Fräser zur Fertigung weitergeleitet. Die Herstellung des optimierten Laufrades dauert nicht länger als die Herstellung eines Laufrades mit der Standardbeschaufelung.

Ein weiterer Schritt zur Verbesserung der ideal ausgeprägten Strömungsführung in den Laufradkanälen war das „Verschließen“ der Laufräder mittels einer Deckscheibe. Der hydraulische Wirkungsgrad verbesserte sich um weitere drei bisfünfProzentpunkte (in Abhängigkeit der Pumpenbaugröße). Da die Flüssigkeitsführung nur noch in den Laufradkanälen stattfindet, minimiert sich der Verschleiß durch Feststoffe am Laufrad und an der saugseitigen Gehäusewandung des Spiralgehäuses.

Ideal wäre es, die geschlossenen Laufräder aus dem relativ verschleißfesten Kunststoff PE-UHMW herzustellen. Dieser Werkstoff läßt sich jedoch schlecht schweißen und deshalb wird die Laufraddeckscheibe normalerweise mit konischen Stiften auf den Laufradschaufeln befestigt. Je nach Breite, räumlicher Krümmung der Laufradschaufeln sowie deren Belastung ist eine mehr oder weniger sichere Befestigung der Laufraddeckscheibe gewährleistet. Optimal wäre das Verschweißen der Laufraddeckscheibe mit den Laufradschaufeln, wie es bei den Laufrädern aus PP und PVDF üblich ist. In Kürze wird dies auch mit dem verschleißfesten PE-UHMW möglich sein, denn es liegen bereits positive Ergebnisse vor, die sich problemlos auf die Serienfertigung übertragen lassen.

Von Bedeutung für den Pumpenhersteller sind die numerischen Berechnungen der räumlich gekrümmten Schaufeln, die fast punktgenau den gewünschten Arbeitspunkt der Pumpe treffen; weiterhin die anschließende vollautomatische Fertigung der Laufräder auf der Fünfachsen-Fräsmaschine. Für den Betreiber wiederum ist es von großem Vorteil, daß er ein Laufrad erhält, quasi serienmäßig gefertigt, das genau auf seine Betriebsbedingungen abgestimmt ist.

Wichtig ist sowohl für den Betreiber als auch für den Pumpenhersteller, daß von jedem gefertigten Laufrad alle Daten hinterlegt werden, damit jederzeit ein exakt identisches Laufrad gefertigt werden kann.

Weitere Informationen cav-201