Interne Leckage der Pumpe

November 23, 2020

Was ist eine interne Leckage?

Wie in der Übersicht über Verdrängerpumpen beschrieben, ist ein festes Fördervolumen, unabhängig vom Auslassdruck, nur theoretisch. Materialflexibilität, interne Leckage („Blow-by“), Verschleiß und andere Variablen führen zu einer unterschiedlich starken Druckabhängigkeit. Im Folgenden wird auf die Details der internen Leckage eingegangen.

Interne Leckage an Spitzen in einer Zahnradpumpe

Interne Leckage an Spitzen in einer Zahnradpumpe


Interne Leckagen resultieren aus der unvollkommenen Passung zwischen den Komponenten in einer Pumpenbaugruppe. Unabhängig davon, wie gut die beiden Komponenten zueinander passen, gibt es mikroskopisch kleine Lücken, durch die Flüssigkeiten fließen. Die interne Leckage hängt in der Regel linear mit der dynamischen Viskosität einer Flüssigkeit zusammen und ist daher bei Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität stärker ausgeprägt.

Interne Leckage ist nicht immer unerwünscht. Die Schmierung von Zahnradpumpenlagern erfordert einen Durchfluss von Bereichen mit hohem Druck zu niedrigem Druck, um ein korrektes hydrodynamisches Lager herzustellen. Bei einigen Pumpen wird die interne Leckage zur Begrenzung des maximalen Drucks verwendet, um einen Überdruck im System zu verhindern.

Einige Pumpenkonstruktionen eliminieren interne Leckagen durch die Verwendung von nachgiebigen Materialien mit Presspassungen (d. h. Dichtungen). Diese Strategien können fast alle internen Leckagen eliminieren. Sie führen jedoch zu Gleitverschleiß, der andere Probleme verursacht. Dieser Artikel befasst sich nicht mit gleitenden Dichtungen.

Rotierende Verdrängerpumpen

Die beiden häufigsten Quellen für interne Leckagen in Drehkolbenpumpen sind das Spitzenspiel und das Stirnflächenspiel. Nicht alle Pumpen haben beide Arten, z. B. haben Flügelzellenpumpen kein Spitzenspiel, da die Flügel aktiv gegen die Wand gleiten. Interne Leckagen in rotierenden Verdrängerpumpen reduzieren nicht nur die Fördermenge, sondern auch den maximalen Druck und die Fähigkeit zum Ansaugen.

Spitzenspiel

Das Spiel an den Zahnrad-, Rotor- oder Drehkolbenspitzen ist eine wichtige Quelle für interne Leckagen. Ohne Druck erreicht die Flüssigkeit die Spitzengeschwindigkeit an der Oberfläche der Spitze und die Geschwindigkeit Null an der Hohlraumwand, mit einer linearen Verteilung dazwischen. Wenn der Auslass jedoch einen ausreichend hohen Druck aufweist, kann die Mitte der Kurve invertieren, was dazu führt, dass ein Teil der Flüssigkeit zurückfließt. Bei blockiertem Fließdruck (Durchflussrate gleich Null) ist das Volumen der vorwärts fließenden Flüssigkeit gleich dem der rückwärts fließenden Flüssigkeit (ohne Berücksichtigung anderer Leckagequellen).

Zahnradspitze Flüssigkeitsstrom

Zahnradspitze Flüssigkeitsstrom

Zahnradspitzen-Fluidstrom

Im Gegensatz zu anderen Formen der internen Leckage ist die Modellierung des Kopfspiels äußerst kompliziert. Die Betrachtung von experimentellen Daten und physikalischen Modellen legt nahe, dass der Leckagemechanismus eine Mischung aus laminarer Strömung (abhängig von der Viskosität) und Fluidträgheit (abhängig von der Dichte) ist. Die Daten deuten auf eine Abhängigkeit der internen Leckage zwischen h² und h³ hin, wobei h das radiale Spiel ist, und linear zum Kehrwert der Spitzenlänge.

Den Konstrukteuren von Innen- und Außenzahnradpumpen, Gerotorpumpen und Drehkolbenpumpen stehen drei Methoden zur Verfügung, um die Auswirkungen der Leckage an den Spitzen zu verringern:

Verkleinern des Spitzenspiels. Dies erfordert eine hohe, wiederholbare Präzision, eine ausgezeichnete Qualitätskontrolle und die Verwendung von Materialien mit minimaler Verformung durch Flüssigkeitsaufnahme, Temperaturunterschiede, Eigenspannungen und Kriechen. Diese Überlegungen müssen auf die Zahnräder, Gehäuse, Lager und Wellen angewendet werden.
Vergrößern Sie die Länge des Kopfspiels. Dies ist eine konstruktive Entscheidung, denn der Kompromiss ist eine Verringerung des Volumens pro Umdrehung. Die interne Leckage ist jedoch proportional und kann in vielen Fällen bis zu 75 % betragen.

Spitze für Verdrängung optimiert

Spitze für Verdrängung optimiert

Spitze optimiert für geringe interne Leckage

Spitze optimiert für geringe interne Leckage

Spitze optimiert für Verdrängung Spitze optimiert für geringe interne Leckage

Erhöhen Sie die Anzahl der Zähne an den Zahnrädern. Wie bei der Vergrößerung der Länge der Spitze führt eine größere Anzahl von Zähnen zu einem geringeren Volumen pro Umdrehung. Mehr Zähne in unmittelbarer Nähe des Hohlraums erzeugen mehr „Druckdichtungen“, wie in den untenstehenden Druckergebnissen aus einer Strömungssimulation gezeigt wird. Eine Erhöhung der Anzahl der Zähne kann zusätzliche Vorteile wie einen gleichmäßigeren Durchfluss und eine geringere Geräuschentwicklung mit sich bringen.

Computergestützte Fluiddynamik-Simulation von Zahnradspitzenleckagen

Computergestützte Fluiddynamik-Simulation von Zahnradspitzenleckagen

Flächenspiel

Die interne Leckage an den Stirnflächen der rotierenden Elemente ist bei vielen rotierenden Verdrängerpumpen der größte Faktor für die interne Leckage. Das Spiel in dieser Richtung ist leichter zu kontrollieren als das Spitzenspiel (weniger Komponenten im Toleranzstapel), aber die Oberfläche ist größer und die Durchflussrate ist proportional zum Kubus des Spalts (h3). Beim Durchfluss über die Stirnflächen fehlt auch der Vorteil der zahlreichen Zähne entlang des Leckagepfades und der hohen Vorwärtsgeschwindigkeit an den Zahnspitzen. Die einzige Möglichkeit, die Leckage über die Stirnfläche zu verringern, besteht darin, die Präzision und Qualität der Komponenten zu erhöhen, so dass das Spiel verringert werden kann.

 

Interne Leckage an den Stirnseiten des Getriebes

Interne Leckage an den Stirnseiten des Getriebes

Einige Pumpen legen PTFE-Dichtungen zwischen die Gehäuseteile. Diese Dichtungen bilden eine Dichtung gegen externe Leckagen. Die Dicke dieser Dichtungen wirkt sich jedoch direkt auf das Planspiel aus. Im Laufe der Zeit und/oder Temperatur kann sich die Dicke dieser Dichtungen ändern, was die Leistung der Pumpe verändern kann.

Verdrängerpumpen mit Hubkolbenantrieb

Hubkolben-Verdrängerpumpen sind ideal für die Dosierung oder Abgabe von präzisen Flüssigkeitsmengen. Es überrascht nicht, dass diese Pumpen die geringste interne Leckage der beiden Klassen von Verdrängerpumpen aufweisen. Die für viele Anwendungen erforderliche Präzision macht die interne Leckage jedoch immer noch zu einem wichtigen Aspekt der Pumpenkonstruktion und -produktion.

Rückschlagventile

Die Quelle der internen Leckage, die bei fast allen Kolbenpumpen auftritt, sind die in den Ein- und Auslass integrierten Rückschlagventile. Die meisten Rückschlagventile in Pumpen sind entweder Membranrückschlagventile (1) oder Kugelrückschlagventile (nicht zu verwechseln mit Kugelhähnen) (2). Eine Leckage am Einlass kann zu einem ungewollten Überdruck am Einlass führen. Leckage am Auslass kann Flüssigkeit aus dem Auslassanschluss leicht nach hinten ziehen. In beiden Fällen wird das effektive Dispensiervolumen reduziert.

Beispiele für Rückschlagventile in einer Membranpumpe

Membran-Rückschlagventile verwenden ein flexibles Gummi, das über einer Bohrung positioniert ist und im eingeschwungenen Zustand geschlossen ist. Die Abdichtung beruht auf der unbelasteten Form der Membrane in Verbindung mit dem Gegendruck, um eine Rückleckage zu verhindern. Zu den verschiedenen Formen von Membran-Rückschlagventilen gehören freischwingende Scheiben, biegsame Elastomere, Entenschnäbel und Regenschirme. Rückleckagen können auftreten, wenn sich die Membrane im Laufe der Zeit durchbiegt, Fremdkörper die Dichtfläche beeinträchtigen oder abrasive Partikel in der Flüssigkeit die Dicht- oder Sitzflächen abnutzen.

Federbelastete Kugelhähne dichten ab, indem sie einen festen Sitz zwischen Kugel und Sitz erzeugen. Oft ist der Sitz konisch und führt die Kugel in den Sitz, um eine gute Abdichtung zu gewährleisten. Die Konstruktion besteht typischerweise aus harten Materialien, um die Lebensdauer zu maximieren. Den starren Materialien fehlt jedoch die notwendige Nachgiebigkeit, um sich aneinander anzupassen, was zu mikroskopisch kleinen Pfaden führt, durch die Flüssigkeit austreten kann.

Viele Unternehmen haben sich auf die Konstruktion und Herstellung von Qualitätsrückschlagventilen spezialisiert. Die Materialien, Konstruktionen und Fertigungsmethoden sind gut entwickelt. Die oben beschriebenen inhärenten Eigenschaften lassen sich jedoch nicht vermeiden. Ventillose Kolbenpumpen bieten eine Konstruktion ohne Rückschlagventile, obwohl sie eine zusätzliche Quelle für interne Leckagen haben.

Kolbenspiele

Kolbenpumpen und ventillose Kolbenpumpen haben einen Kolben, der im Inneren eines Zylinders gleitet. Abweichungen in der Geradheit, Größe, Rundheit und Zylindrizität führen zu Lücken, durch die die Flüssigkeit fließen kann. Die Menge der Leckage ist linear vom Auslassdruck abhängig und wird vom abgegebenen Volumen abgezogen.

Interne Leckage in einer Kolbenpumpe

Interne Leckage in einer Kolbenpumpe

Die Leckage, als Funktion des Drucks, zwischen einem Kolben und einem Zylinder ist , wobei:

P = Ausgangsdruck
µ = dynamische Viskosität
D = Kolbendurchmesser
h = Radialspiel
L = Länge

Normalerweise ist die einzige Variable, die dem Pumpenkonstrukteur zur Verfügung steht, das Spiel. Der Durchfluss ist proportional zu h3, daher erfordert eine leistungsstarke Kolbenpumpe ein sehr enges Spiel. Zur Veranschaulichung ist unten eine übliche Pumpenanwendung mit Wasser dargestellt, bei der das Spiel von 0 bis 20 µm variiert. Für Präzisionsanwendungen muss die Leckage deutlich weniger als 1% des gewünschten Hubraums betragen.

 

Interne Leckage der Kolbenpumpe als Funktion des Durchflusses

Interne Leckage der Kolbenpumpe als Funktion des Durchflusses

Interne Leckage von Kolbenpumpen als Funktion des Spiels

Das Erreichen von Spielräumen im einstelligen Mikrometerbereich ist nicht einfach. Variablen wie Form, Größe, Oberflächenbeschaffenheit, Wärmeausdehnung und Bearbeitungstechniken müssen genau bewertet werden. Keramische Werkstoffe haben Eigenschaften, die sich perfekt für diese Anwendung eignen:

Geringe thermische Ausdehnung
Fähigkeit, präzise geschliffen zu werden
Kleine Korngröße
Keine Maßveränderungen bei einer großen Bandbreite von Flüssigkeiten

Die Wahl des richtigen Materials ist nur der Anfang der Lösung. Als Nächstes muss man hochgradig kontrollierte Präzisionsbearbeitungs- und Qualitätskontrollpraktiken implementieren. Dies geht über die typischen ISO 9001-Praktiken hinaus und erfordert tiefgreifende Kenntnisse und Erfahrungen mit der Lieferung von hoher Qualität auf mikroskopischer Ebene.

 

Zusammenfassung

Interne Leckage ist eine Realität, die bei Verdrängerpumpen nicht ignoriert werden kann, es sei denn, der Anwender akzeptiert Verschleißteile mit begrenzter Lebensdauer, die als Gleitdichtungen verwendet werden. Der Schlüssel zu einer hydraulisch effizienten und wiederholbaren Konstruktion liegt in der Verwendung geeigneter Materialien, einer hochpräzisen Bearbeitung, einer 100%igen Prüfung der Pumpe und einem disziplinierten Qualitätssicherungsprozess. Wenn eine Anwendung Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit erfordert, ist die Kommunikation von Ingenieur zu Ingenieur entscheidend, um Überraschungen bis weit in den Entwicklungs- oder Produktionszyklus hinein zu vermeiden.

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Mit ihrer hervorragenden Fördergenauigkeit eignen sich Dosierpumpen der Precision-Serie beispielsweise perfekt für den Einsatz in der Dialyse. Sie sind auch in der Version mit doppelter Präzision erhältlich.
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