Machen Sie langsamer, Sie bewegen sich (vielleicht) zu schnell, Teil 2 von 2

In Teil 1 meiner Kolumne in der Novemberausgabe 2022 haben wir die ersten Schritte bei der Entscheidungsfindung, ob Sie eine langsamere Pumpe kaufen sollten, behandelt. Wir beschäftigen uns mit der Messung, dem Entscheidungsprozess und mehr.

Die spezifische Geschwindigkeit (Ns) bezieht sich in ihrer einfachsten Definition auf die Laufradgeometrie, einschließlich der Schaufelwinkel und der Anzahl der Schaufeln. In der Pumpe sind sowohl dynamische als auch statische Kräfte und ihr Verhältnis Funktionen der spezifischen Drehzahl (F dynamisch ÷ F statisch).

Beachten Sie, dass spezifische Drehzahlen von etwa 3.000 die effizienteste Pumpe ergeben und bei einem Vergleich des Druckkoeffizienten mit der spezifischen Drehzahl einen Spitzenwert von etwa 1.000 erreichen. Bei niedrigeren spezifischen Drehzahlen lässt sich die Pumpenförderhöhe leichter erzeugen, bei höheren spezifischen Drehzahlen jedoch nicht so effizient.

Mit zunehmender spezifischer Saugdrehzahl (Nss) nimmt der stabile/zulässige Betriebsbereich der Pumpe ab. Der Ansaugzustand der Pumpe ist wirklich der wichtigste Faktor, der bei der Betrachtung der Pumpengeschwindigkeit untersucht werden muss. Während die NPSH-Marge von größter Bedeutung ist, können Sie sich selbst einen Gefallen tun, indem Sie den zulässigen Pumpenbetriebsbereich (Stabilitätsfenster) für Ihre Auswahl aus den vorgeschlagenen Beispielleistungskurven bestimmen.

Daraus können Sie die maximale spezifische Sauggeschwindigkeit abschätzen, mit der Sie arbeiten möchten. Wenn Sie die maximale spezifische Ansauggeschwindigkeit kennen, können Sie dann die maximale Geschwindigkeit für die Pumpe bestimmen, indem Sie die Formel für die spezifische Ansauggeschwindigkeit verwenden, die algebraisch nach der Geschwindigkeit (N) gelöst wird. Nehmen Sie beispielsweise eine maximale spezifische Sauggeschwindigkeit von 8.500 an. Verwechseln Sie nicht die spezifische Sauggeschwindigkeit von maximal 8.500; das ist nur ein Beispiel.

Die Saugenergie (SE) ist ein weiterer oft übersehener Parameter. SE ist im Wesentlichen eine Messung des Flüssigkeitsimpulses am Laufradauge. Der Platz in der Spalte lässt hier keine vollständige Erklärung zu. Weitere Einzelheiten finden Sie in meiner Kolumne vom Mai 2020.

Achten Sie bei der Betrachtung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit an der Saugseite auch auf die Geschwindigkeit an der Auslassdüse und 6 Durchmesser stromabwärts. Best Practices finden Sie in der Norm 9.6.6 des American National Standards Institute (ANSI)/Hydraulic Institute (HI). Beachten Sie jedoch, dass über 8 bis 10 Fuß pro Sekunde auf der Saugseite potenzielle Probleme entstehen. Hier gilt: langsamer ist besser. Ich bin mir darüber im Klaren, dass die Spitzengeschwindigkeiten der Laufradschaufeln in beiden Fällen ähnlich sind (eine größere, langsamere Pumpe im Vergleich zu einer kleineren, schnelleren), aber ich schlage die alternative Idee vor, dass es bei Bedarf besser sein könnte, der Pumpe eine weitere Stufe hinzuzufügen zusätzliche Förderhöhe und die Laufradbreite zu ändern, wenn Sie mehr Durchfluss benötigen. Eine andere Lösung könnten zwei in Reihe geschaltete Pumpen sein.

Die Nenngrenzen für den maximalen Laufraddurchmesser betragen normalerweise 27 Zoll für 4-polige und 13 Zoll für 2-polige Drehzahlbegrenzungen. Dieser begrenzende Faktor ist unabhängig von den Flüssigkeitseigenschaften und basiert eher auf der Materialstärke des Laufrads (Deckbänder und Leitschaufeln). Eine zu hohe Spitzengeschwindigkeit führt zu unzulässigen Vibrationen. Die Radialkräfte sind eine Funktion der Laufradgeometrie für eine bestimmte Gehäusekonstruktion und nehmen direkt mit der Drehzahl zu. Radialkräfte wirken sich direkt auf die Wellendurchbiegung aus, was sich direkt auf die Lebensdauer von Lagern und Gleitringdichtungen auswirkt. Beachten Sie, dass eine Ablenkwelle bei 4-Pol-Geschwindigkeiten 3.550 Mal pro Minute und 7.100 Mal pro Minute bei 2-Pol-Geschwindigkeiten abgelenkt wird. Die Qualität des Laufradherstellungsprozesses wirkt sich sowohl auf das hydraulische als auch auf das mechanische Gleichgewicht aus. Lagerverschleiß, Lebensdauer der Gleitringdichtung und Ausrichtung des Antriebs werden mit zunehmender Geschwindigkeit immer wichtiger.

Axialkräfte sind eine Funktion der Laufradgeometrie, des Ansaugdrucks, des Spiels und der entwickelten Förderhöhe. Schädliche Auswirkungen von Axialkräften können durch einen lockeren Sitz des Laufrads auf der Welle verstärkt werden. Der Axialschub nimmt proportional zur Geschwindigkeit zu. Die Frequenzen der dynamischen Kräfte des Rotors hängen von Geschwindigkeit und Durchfluss ab und reagieren proportional.

Pumpen mit größeren Laufrädern und einer größeren rotierenden Masse weisen eine höhere Trägheit auf. Eine höhere Trägheit führt sowohl zu einem längeren Ausrollen bei Leistungsverlust als auch zu einer längeren Zeit bis zum Erreichen der Höchstgeschwindigkeit beim Anfahren. Diese verzögerte Reaktionseigenschaft ist für die Steuerung transienter Systemdrücke von Vorteil, da die Pumpe nach einer Pumpenauslösung oder einer Neupositionierung des Steuerventils langsam abbremst, die Flüssigkeit jedoch weiterhin bewegt. Die langsamere Reaktion der hydraulischen Änderung minimiert die Säulentrennung in den nachgeschalteten Rohrleitungen, wodurch Wasserschläge und andere damit verbundene negative Auswirkungen reduziert werden.

Welche grundlegenden Parameter und Fragen sind bei der Entscheidung über die Pumpengeschwindigkeit zu berücksichtigen? Ich habe nicht den Platz, um zu erklären, wie sich jeder dieser Faktoren auf die Entscheidung über die Pumpengeschwindigkeit auswirkt, aber die folgende Liste ist eine Betrachtung wert:

Eine Rheologieübersicht, die alle Flüssigkeitseigenschaften und insbesondere die Feststoffmenge umfasst. Je mehr Feststoffe vorhanden sind, desto mehr müssen Sie langsamer fahren. Beachten Sie auch Abrasivität, Form und Größe der Feststoffe.

Viskosität ist eine Flüssigkeitseigenschaft, die viele Menschen übersehen, deshalb hebe ich sie mit einer eigenen Kategorie hervor. Eine höhere Viskosität erfordert bei gleichen hydraulischen Bedingungen eine größere Pumpe.

Ist die Flüssigkeit Newtonsch oder Nicht-Newtonsch? Denken Sie an Scherung und Schergeschwindigkeitsfaktor. Viele nicht-Newtonsche Flüssigkeiten reagieren nicht gut auf höhere Geschwindigkeiten.

Unter Berücksichtigung des tatsächlichen Arbeitszyklus ist es wichtig, die Stromkosten zu quantifizieren (etwa Kosten pro Kilowattstunde).

Die Ansaugbedingungen wurden bereits früher besprochen, aber überlegen Sie auch, ob es sich um eine überflutete Ansaugsituation im Vergleich zu einer Ansaugsituation handelt oder ob mehrere Pumpen parallel oder in Reihe geschaltet sind. Es ist wichtig, den Grad der Ausgereiftheit bei der Gestaltung der Rohrleitungsgeometrie des Saugsystems für kritische Überflutung, turbulente Strömung, Saugenergie, Saugdüsengeschwindigkeit und NPSH-Grenze zu berücksichtigen.

Eine weitere wichtige Untergruppe der Saugbedingungen ist, ob die Pumpe selbstansaugend ist. Beachten Sie, dass die Ansaugzeit bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen dazu führt, dass die Flüssigkeit sowohl in der Dichtungs- als auch in der Ansaugkammer 8 bis 10 Mal schneller erhitzt wird.

Die folgenden Fragen beeinflussen auch Ihre Wahl der Pumpengeschwindigkeit:

Wo entstanden die städtischen Mythen über die Pumpengeschwindigkeit? Viele der ersten Entwürfe für Hochgeschwindigkeitspumpen der 1960er Jahre basierten auf Modellen mit niedrigerer Geschwindigkeit, deren Geschwindigkeit einfach erhöht wurde, um den Marktanforderungen gerecht zu werden. Nach einiger Betriebszeit erwiesen sich diese Pumpen häufig als unzuverlässig. Warum? Denn viele der älteren Pumpenmodelle waren ursprünglich nicht für den Betrieb bei höheren Drehzahlen ausgelegt. Die nachfolgenden Fehlerereignisse verzerrten die Zuverlässigkeitsdaten, so dass sich die allgemeine Meinung durchsetzte, dass langsamer besser sein müsse. Allerdings erwiesen sich in den 1970er-Jahren die Pumpen, die für den Betrieb bei höheren Drehzahlen umgestaltet und ordnungsgemäß gewartet wurden, häufig als ebenso zuverlässig wie langsamer laufende Pumpen früherer Konstruktionsgenerationen.

Der Vorbehalt besteht darin, dass spätere Modelle von Hochgeschwindigkeitspumpen den zusätzlichen Nachteil mit sich bringen, dass sie nach höheren Standards betrieben und gewartet werden müssen. Für die Pumpenzuverlässigkeit bei höheren Drehzahlen ist ein höheres Maß an Präzisionswartung erforderlich, z. B. die richtige Rotorbalance und die richtigen Betriebsabstände in Verbindung mit der Verringerung der Rohrspannung, der Einrichtung und Aufrechterhaltung von Präzisionsausrichtungen und anderen Best Practices der Branche.

Wenn die Anforderungen an die Systemförderhöhe steigen, werden Sie aufgrund der Gesetze der Physik zu Pumpen mit höherer Drehzahl gezwungen. Allerdings habe ich mehrere Anwendungen erlebt, bei denen eine zweistufige Pumpe mit 1.750 Umdrehungen pro Minute (U/min) die bessere Wahl gegenüber einer einstufigen Pumpe mit 3.550 U/min war.

Achtung: Sie können eine Pumpe auch zu langsam betreiben und Probleme mit der hydrodynamischen Stabilität oder eine Überhitzung des Motors aufgrund von Problemen mit dem Kühlgebläse haben. Ich empfehle nicht, die meisten Pumpen längere Zeit unter 600 U/min zu betreiben, es sei denn, die Pumpe wurde für diese Bedingungen entwickelt oder zugelassen. Wenden Sie sich in jedem Fall an den OEM, auch an den Motor-OEM.

Abschließend schlage ich ein Szenario vor, in dem die Straße (z. B. ein Pumpensystem) zu Ihrem Ziel manchmal für den Hochgeschwindigkeitsverkehr auf mehreren Spuren ausgelegt ist. Denken Sie an die Bundesautobahn. Manchmal gibt es jedoch nur zwei Fahrspuren, die langsam und gleichmäßig angefahren werden können, um die Arbeit mit hoher Zuverlässigkeit und Freude zu erledigen. Denken Sie an 17 Mile Drive, Pebble Beach, Kalifornien.

Hydraulische Instabilität von Kreiselpumpen EPRI-Bericht CS-1445 Forschungsprojekt 1266-18 von Dr. E. Mackay 1980

Jim Elsey ist ein Maschinenbauingenieur mit mehr als 50 Jahren Erfahrung im Bereich rotierender Ausrüstung für Industrie- und Schiffsanwendungen auf der ganzen Welt. Er ist technischer Berater für Summit Pump, Inc., aktives Mitglied der American Society of Mechanical Engineers, der National Association of Corrosion Engineers und der Naval Submarine League. Elsey ist außerdem Geschäftsführerin von MaDDog Pump Consulting LLC. Er kann unter [email protected] erreicht werden.