InjectionSystem –Mehr Standzeit für Drehkolbenpumpen.

InjectionSystem –Mehr Standzeit für Drehkolbenpumpen.
Optimierung von Drehkolbenpumpen bei der Förderung feststoffreicher Suspensionen.
Drehkolbenpumpen werden heute in zunehmender
Anzahl zum Fördern von Suspensionen
eingesetzt. Unter den Verdrä ngerpumpen
haben sie sich in den letzten 20 Jahren einen
bemerkenswert hohen Marktanteil erworben.
Das liegt zum einen daran, dass Drehkolbenpumpen
heute durch ausgeklügelte Konstruktionen
und verschleiß feste Materialien auch
mit abrasiven Medien fertig werden. Zum anderen
dringen sie aufgrund ihrer kompakten
Bauweise immer öfter in hohe Mengenbereiche
vor, die ihnen früher wegen ihrem ungleichförmigen
Förderverhalten verschlossen waren.
Durch die Einführung des verwundenen
HiFlo ® -Kolbens in den Markt, hat Vogelsang
Anfang der 90er Jahre diese Entwicklung entscheidend
beeinflusst [1]. Heute können Drehkolbenpumpen
für Rohrleitungsnennweiten
von DN 300 gebaut werden und bis zu 1.000
m³/h pulsationsfrei fördern. Auch haben sich
die Standzeiten beim Fördern abrasiver Suspensionen
entscheidend verbessert.
Bei höheren Drehzahlen ist der Leistungsabfall
der Pumpe auch bei Spaltvergröß erung
geringer als bei niedrigeren Drehzahlen. Des
weiteren ist die Standfestigkeit der Materialien
bei Kolben und Gehä use verbessert worden.
Mit einer neuen Entwicklung wird nun durch
konstruktive Maß nahmen die Beanspruchung
der Förderelemente beim Durchschleusen
abrasiver Feststoffe verringert und damit die
Standzeit der Pumpen noch einmal erheblich
verbessert.
Geometrische Voraussetzungen bei der Gestaltung
von Drehkolbenpumpen.
Drehkolbenpumpen sind Verdrängerpumpen mit
zwei oder mehrflü geligen Kolben, die in Form eines
Zahnradpaares ineinander greifen und sich in
einem aus zwei kreisförmigen Halbschalen bestehenden
Gehäuse gegenläufig drehen. Die Förderrichtung
wird einfach durch die Umkehr der Antriebs-Drehrichtung
geändert. Die Kolben der hier
beschriebenen Bauart sind in der Regel mit
Elastomer beschichtet, das gegenü ber dem Fördermedium
beständig sein muss. Dadurch wird
nach dem Prinzip „ weich gegen hart“ der Verschleiß
bei Gehäuse und Kolben minimiert. Drehkolbenpumpen
arbeiten mit engen Spalten zwischen
Kolben und Gehäuse, so dass Druck- und
Saugseite stets „dichtend“ von einander getrennt
sind.
Ein Mindest-Gehä usewinkel ist erforderlich.
Bild 1 zeigt den erforderlichen Mindestgehäusewinkel
von Drehkolbenpumpen in Abhängigkeit
von der Kolbenflü gelzahl, damit bei allen Winkelstellungen
gerade keine direkte Fließ verbindung
zwischen Druck- und Saugseite zustande kommt.
Das gilt bei ü blichen Kolbenformen, die zwischen
Kolbenflü gelkopf und umschließ enden Gehäuse
eine Linienberü hrung besitzen; d.h. in diesem Fall
ist der Hüllkreisdurchmesser der Kopfkontur kleiner
als der Kopfkreisdurchmesser der Drehkolben.
In der Regel werden Drehkolbenpumpen mit
mehrflü geligen Kolben ausgerü stet.
Grad
300
250
200
150
100
50
0
180
Erforderlicher Gehä usewinkel
270
120
180
90
2 3 4 5 6
135
Anzahl der Kolbenflügel
gerader Kolben
HiFlo - Kolben
ü blicher Gehäusewinkel (180 °)
Bild 1: Erforderlicher Gehäusewinkel als Funktion der Flü gelzahl
der Drehkolben.
Mit der HiFlo ® -Technik wurden die Drehkolbenpumpen
pulsationsfrei.
Mehrflü gelige Kolben mit einer Mindestflü gelzahl
von 3 kann man mit der pulsationsfrei arbeitenden
HiFlo ® -Geometrie ausrü sten. Einzelheiten dieser
Technik werden in [1] beschrieben. Die Kolbenflü -
gel werden dabei um eine halbe Kolbenteilung
verwunden. Dabei braucht der ü bliche Gehäusewinkel
nicht geändert werden. Daneben wird das
Betriebsverhalten von Drehkolbenpumpen durch
die HiFlo ® -Geometrie der Drehkolben sowohl im
72
108
60
90
Dipl.-Ing. Burkhard Verhü lsdonk Technischer Leiter Hugo Vogelsang Maschinenbau GmbH 1

Druckbetrieb als auch im Saugbetrieb entscheidend
verbessert [2]. Das Bild 2 zeigt das Vibrationsverhalten
von zweiflü geligen geraden Drehkolben
im Vergleich zu ausgeglichen Drehkolben mit
HiFlo ® -Technologie.
Drehmoment in N m
1200
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
0 90 180 270 360
Drehwinkel in Grad
Ovalkolben
HiFlo-
Kolben
Bild 2: 13: Gemessenes Drehmomentschwingungen Schwingungsverhalten ü ber 360° beim Fördern von von zweiflü geligen
Kolben flü geligem im Vergleich Ovalkolben und zu mit dreiflü geligen geligem HiFlo-Kolben HiFlo ® -Kolben
Wasser mit einer Drehkolbenpumpe V 186-130 Q mit zwei-
bei n P
=500 U/min und p d
=2,3 bar.
bei Gegendruck.
Wie deutlich zu erkennen ist, werden Vibrationen -
und damit negative Auswirkungen auf Antriebselemente
und Rohrleitungen- nur dann wirksam unterdrü
ckt, wenn voll ausgeglichene HiFlo ® -Kolben
eingebaut werden.
Desweiteren erreicht man durch die Erhöhung der
Flü gelzahl einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad,
da die Druckerhöhung in der Pumpe
sozusagen mehrstufig erfolgt. Die Anzahl der wirksamen
Dichtlinien in Abhängigkeit der Flü gelzahl
zeigt Bild 3.
Maß nahmen versucht man deshalb, das Problem
der Verschleiß empfindlichkeit von Drehkolbenpumpen
anzugehen.
Füllungsoptimierung durch Strömungsbeschleunigung
reduziert Verschleiß .
Neue Erkenntnisse zeigen, dass auch bei mehrflü -
geligen Drehkolbenpumpen beim Betrieb unter
abrasiven Betriebsbedingungen durch einfache
konstruktive Maß nahmen an der Einlassseite eine
erhebliche Standzeitverbesserung erreicht werden
kann. Versuche und umfangreiche Computersimulationen
[3] haben die Strömungsverhältnisse am
Einlass von Drehkolben- und Zahnradpumpen aufgeklärt.
Dabei wurde eine Wirbelwalze festgestellt,
die dazu fü hrt, dass Fremdkörper auf dem meist
waagerecht positionierten, ebenen Rohrleitungsboden
liegen bleiben und von den Kolbenspitzen
immer wieder in das Ansaugrohr zurü ckgestoß en
werden. Bild 4 zeigt, wie die Fremdkörper also
immer wieder an die Kolbenspitzen gelangen und
dort Abrasionsschäden verursachen.
3,5
3
Anzahl der Dichtlinien
3
Wirbelwalze
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
gerade Kolben
HiFlo-Kolben
0,5
1,5
1
2
2 3 4 5 6
Wenn mit herkömmlichen Drehkolbenpumpen
Suspensionen mit groß en Fremdkörpern gefördert
werden sollen, ist die Mehrflü geligkeit bei herkömmlichen
Drehkolbenpumpen jedoch eher von
Nachteil, da bei konstantem Hubvolumen pro Umdrehung
die Größ e der einzelnen Kammer mit der
Anzahl der Flü gel abnimmt. Mit verschiedenen
1,5
2,5
Anzahl der Kolbenfl ügel
Bild 3: Anzahl der wirksamen Dichtlinien von Drehkolbenpumpen bei
einem Gehä usewinkel von 180°
2
2,5
Bild 4: Fremdkörperzufuhr bei Standard- Anschlü ssen
Die Lösung des Ansaugproblems liegt also darin,
die Wirbelwalzen zu vermeiden und die Fremdkörper
in die sich öffnenden Zahnlü cken zu befördern.
Dann werden die Feststoffe direkt von den
Zahnflanken mitgenommen und problemlos, ohne
Schäden zu verursachen, durch die Pumpe
durchgeschleust.
Die unter dem Begriff Füllungsoptimierung zum
Patent angemeldete Lösung wird in Bild 5 dargestellt.
Rampenartige Einbauten führen die Feststoffe
zusammen mit der Flü ssigkeit in die saugseitigen
Zahnlü cken. Hier werden die Feststoffe
von den Zahnflanken mitgenommen und in die
Pumpenkammern gefü hrt. Es kommt zu keinerlei
Quetschvorgängen. Die Kolbenspitzen werden geschont.
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Bild 5: Fremdkörperzufuhr bei Injektions-Anschlü ssen
In den Bildern 6 und 7 sind Ergebnisse von Versuchen
dargestellt, bei dem Drehkolbenpumpen
unter abrasiven Betriebsbedingungen betrieben
wurden. Als Fremdkörper wurde Kies bis 25 mm
Körnung verwendet. Die Bilder zeigen eindeutig,
dass durch die Füllungsoptimierung auch groß e
Fremdkörper, ohne die Kolbenspitzen zu
beschädigen, durch die Pumpe geschleust werden.
Das hat natü rlich positive Auswirkungen auf
die Standzeit von Drehkolbenpumpen unter abrasiven
Betriebsbedingungen.
Im Versuch gemäß Bild 8 wurden Pumpen einem
Härtetest (Sand, Körnung 1 bis 20mm) ausgesetzt.
Vorher und nachher wurde das Betriebsverhalten
gemessen. Während die Fördermenge
nach dem Test im Falle der Standard-Anschlü sse
je nach Druckdifferenz und Drehzahl mehr als
halbiert wird, ist der Rü ckgang der Fördermenge
bei Verwendung von Injektionsanschlü ssen wesentlich
geringer. Als Fazit war also eine wesentliche
Verbesserung des Verschleiß verhaltens durch
die neuen patentierten Injektionsanschlü sse zu
erwarten.
Injection-Technologie verbessert das Saugverhalten.
Eine weitere positive Wirkung der Füllungsoptimierung
ergibt sich durch den größ e ren Umschlingungswinkel.
Dadurch sind durchschnittlich
mehr Dichtlinien im Einsatz, was wiederum die
interne Abdichtung erhöht. Als Endresultat ergeben
sich im praktischem Einsatz ein höherer Liefergrad
der Pumpe und ein besseres Saugvermögen,
insbesondere bei geringen Drehzahlen.
Bild 7: Testergebnis
Kiesfraktion: 10-25mm
Feldversuche bestä tigen die
Forschungsergebnisse.
Oben: mit Injektionsanschluss
Unten: ü bliche Anschlü sse
Nach Abschluß der Versuche und deren Auswertung
folgten Feldversuche auf diversen Biogasanlagen.
Die dort eingesetzten Drehkolbenpumpen
waren alle durch einen hohen Anteil Steine im
Koferment einen hohen Verschleiß an den Förderelementen
ausgesetzt. Umgebaut auf die neue
Injection Technologie konnten die Standzeiten zur
Freude der Betreiber um die Faktor 1,5-2,5 gesteigert
werden. Und hier zeigt sich ein weiteres Merkmal
der neuen Technologie: Alle Vogelsang-Drehkolbenpumpen
können vor Ort im Rahmen der
normalen Service- und Wartungsarbeiten mit InjectionSystem
ausgerü stet werden. Weitere Informationen:
Hugo Vogelsang Maschinenbau GmbH,
Tel.: +49 5434-830, E-Mail: info@vogelsang-gmbh.com.
Bild 6: Testergebnis
Kiesfraktion: 10-25mm
Oben: mit Injektionsanschluss
Unten: ü bliche Anschlü sse
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Kies 1-20 1-5 mm -> ⇒ 11: : Standardhalbschale Standard-Bauweise; ; 2: 2 : Injector-Technik
Halbschale 225°
800
700
Pumpe vor dem Test
Fördermenge (l/min)
600
500
400
300
200
100
0
2 bar
5 bar
Injektions-
Anschluss
Standard-
Anschluss
1 ; vor Test - 2 bar
1 ; vor Test - 5 bar
1 ; nach Test - 2 bar
1 ; nach Test - 5 bar
2 ; vor Test - 2 bar
2 ; vor Test - 5 bar
2 ; nach Test - 2 bar
2 ; nach Test - 5 bar
300 350 400 450 500 550 600 650
Drehzahl (U/min)
Bild 8: Injektionsanschlüsse verringern den Kolbenverschleiß
Nach
dem
Test
Literatur
[1] Verhü lsdonk, B.; Vogelsang, H.: Elegante Lösung, Verfahrenstechnik 1-2/98
[2] H. Vogelsang; B. Verhü lsdonk; M. Tü rk and G. Hörning: Pulsation problems in rotary lobe
pumps are solved by HiFlo ® -technique, World Pumps 2/1999
[3] Mourad Lotfey: Interne Info Firma Fluent Deutschland, Darmstadt, 2005
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