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Pumpen

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| Redakteur: Güney Dr.S.

Schraubenspindelpumpe fördert niedrigviskose Medien mit Partikelbelastung bei hohen Drücken.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Wenn in diesem Beitrag von Schraubenspindelpumpen gesprochen wird, sind sogenannte dreispindelige, innengelagerte Schraubenspindelpumpen gemeint. Diese Pumpen sind selbstansaugende, rotierende Verdrängerpumpen, bei denen die Förderkammern durch Ineinandergreifen dreier schraubenförmiger Spindeln gebildet werden. Das Drehmoment wird in eine zentrale Antriebsspindel eingeleitet, die zwei symmetrisch dazu angeordnete Laufspindeln antreibt. Die Spindeln sind mit einem zweigängigen Fördergewinde ausgestattet und laufen in einem eng umschließenden Gehäuse. Dadurch entstehen zwischen Spindeln und Gehäuse abgeschlossene Förderkammern, die durch die Drehbewegung kontinuierlich von der Saugseite der Pumpe zur Druckseite bewegt werden.Die Lagerung der Spindeln gegen das Gehäuse wird durch einen hydrodynamischen Schmierfilmaufbau – ähnlich einem Gleitlager – bewirkt. Die Laufspindeln werden von der Antriebsspindel überwiegend hydrostatisch durch den Flüssigkeitsdruck angetrieben. Aus diesem Grund werden Schraubenspindelpumpen bevorzugt für gut schmierende Medien mit mittleren Viskositäten – insbesondere Schmier- und Hydrauliköle – eingesetzt. Die typischen Druckerhöhungen liegen dabei zwischen 10 und 100 bar und reichen bis 280 bar bei Förderleistungen zwischen 10 und 5000 l/min.Hohe Wirkungsgrade auch bei kleinen FördermengenBei der Förderung dieser Medien bieten Schraubenspindelpumpen eine Reihe von Vorteilen: Bei Viskositäten zwischen zirka 20 mm2/s und 2000 mm2/s werden durch die geringen Volumenverluste entlang der Dichtspalte auch bei kleinen Fördermengen Wirkungsgrade von 80 bis deutlich über 90% erreicht. In Kombination der einfachen Bauweise mit der guten Schmierfähigkeit der typischen Fördermedien erreichen Schraubenspindelpumpen zudem sehr lange Lebensdauern von bis zu 50 Jahren. Weil Schraubenspindelpumpen Schnellläufer sind, sind sie trotzdem außerordentlich kompakt und auch preiswert und dadurch ein beliebtes Bauelement in Anlagen zur Schmierölversorgung und hydraulischen Druckversorgung. Außer der kompakten Bauweise bietet die kontinuierliche Verdrängung einen besonderen Vorteil der Schraubenspindelpumpen im Vergleich mit anderen Verdrängersystemen: Sie arbeiten extrem pulsationsarm. Die typische Druckpulsation der Schrauben-spindelpumpen liegt bei nur 1 bis 2% der erzeugten Druckdifferenz.Die spezifischen Vorteile der Schraubenspindelpumpen haben dazu geführt, dass diese Pumpensysteme immer öfter für Anwendungen mit Fördermedien nachgefragt werden, die vom Typus der typischen „Schmiermedien“ für Schraubenspindelpumpen abweichen. In der chemischen und petrochemischen Verfahrenstechnik sind für bestimmte Prozesse höhere Prozessdrücke notwendig, die zum Beispiel mit Kreiselpumpen nur schwer erreicht werden können. Auch in der Werkzeugmaschinenindustrie hat die Entwicklung der vergangenen 20 Jahre zu einem vermehrten und weiterhin wachsenden Einsatz von Schraubenspindelpumpen geführt. Neue Fertigungsverfahren mit innen gekühlten Werkzeugen benötigen hohe Einspritzdrücke bis 80 bar und auch darüber hinaus, die mit den verbreiteten mehrstufigen Kreiselpumpen nicht mehr wirtschaftlich aufgebracht werden können. Immer engere Fertigungstoleranzen verlangen zudem nach möglichst konstanten Prozessparametern. Hier kann die pulsationsarme Schraubenspindelpumpe ihren Vorteil gut ausspielen. Auch die Geräuscharmut ist für die Arbeitsbedingungen an der Werkzeugmaschine ein gefragtes Feature.Partikel im Fördermedium werden einfach weggespültIm Vergleich zu anderen Arten von Verdrängerpumpen haben Schraubenspindelpumpen bei der Förderung niedrigviskoser, partikelbeladener Flüssigkeiten zwei Vorteile: Zunächst sind die Flächenbelastungen geringer und die Dichtspaltlängen meist größer als bei anderen Systemen. Darüber hinaus verhindert die besondere Kinematik das Eindringen von Partikeln in die Spalte. Die axiale Strömung durch die Pumpe verläuft senkrecht zur Relativbewegung innerhalb der Pumpenspalte. Ein Großteil der Partikel in der Förderflüssigkeit wird dadurch von den Spalten weggespült und die Partikelbelastung innerhalb der Pumpenspalte somit minimiert. Trotzdem sind einige konstruktive Maßnahmen notwendig, um das Einsatzfeld der dreispindeligen Schraubenspindelpumpe zu erweitern. Erhöhte Drücke im Zusammenwirken mit niedrigen Viskositäten führen zu Mischreibungszuständen zwischen den Spindeln untereinander und zwischen Spindeln und Gehäuse. Die wichtigste Maßnahme, um diesen Herausforderungen zu begegnen, lässt sich mit dem Slogan „Länge läuft“ griffig umschreiben. Durch Verlängerung des Wirksystems der Schraubenspindelpumpe, also der Strecke, über die die Spindeln innerhalb des Gehäuses nach außen abgeschlossen ineinander greifen, kann die Flächen- und Spaltdruckbelastung deutlich herabgesetzt werden. Zur Verringerung der Druckbelastung der Förderspindeln gegeneinander ist bei hohen Drücken und niedrigen Viskositäten ein Schubausgleich der Spindeln notwendig. Das heißt, dass die Kräfte, hervorgerufen durch den Druckunterschied an den Enden der Spindeln, ausgeglichen werden müssen. Im Fall der Antriebsspindel wird dies typischerweise durch einen Ausgleichskolben erreicht, der auf der Druckseite der Spindel rückseitig über einen Verbindungskanal zur Saugseite mit dem Saugdruck beaufschlagt wird. Die dritte Grundmaßnahme zur Erweiterung der Einsatzfähigkeit liegt in der Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der Oberflächen, die gegeneinander in Druckkontakt stehen.Mit der Baureihe Emtec hat die Allweiler AG ein Schraubenspindelkonzept entwickelt, das wenig vom einfachen Aufbau typischer Standardpumpen abweicht, aber durch spezifische konstruktive Maßnahmen hervorragend für die Förderung partikelbeladener, niedrigviskoser Fördermedien bei hohen Drücken geeignet ist.Zur Aufnahme besonders hoher Drücke und Tolerierung starker Partikelbeladung wird der Ausgleichskolben der Antriebsspindel besonders lang und zusätzlich mit mehreren Parallelnuten ausgeführt. Weil über den Ausgleichkolben die volle Förderdruckdifferenz abfällt, sorgt diese Maßnahme für verringerte Strömungsgeschwindigkeiten im Kolbenspalt. Ein verbesserter volumetrischer Wirkungsgrad und geringere Abrasion sind die Folge.Die nitriergehärteten Stahlspindeln der Emtec weisen mit ca. 62 HRC bereits eine hohe Grundhärte auf. Da die höchste tribologische Belastung innerhalb der Pumpe innerhalb der Spindelverzahnung auftritt, sind die Spindeln zusätzlich standardmäßig mit einer einige µm „dicken“ Hartschicht im PVD-Verfahren beschichtet. Diese 1200 HV harte Schicht bildet einen einheitlichen Verbund mit dem Grundmaterial und ist nicht nur besonders hart, sondern bietet auch einen besonders geringen Gleitwiderstand und minimale Fressneigung.Um den jeweiligen Nachteilen von Gehäuseauskleidungen aus Kunststoff und aus Keramik zu begegnen, wird bei der Emtec ein besonderes thermochemisches Härteverfahren eingesetzt. Damit ist es möglich, dem verwendeten Graugussgehäuse mit guten Notlaufeigenschaften zusätzlich Oberflächeneigenschaften zu vermitteln, die mit denen der Spindeln vergleichbar sind: Auch das Gehäuse hat an der Oberfläche eine Grundhärte von ca. 62 HRC und ist mit einer 1200 HV Randschicht ausgestattet. Damit ist die Oberfläche mit hohen Flächenpressungen belastbar und gleichzeitig partikeltolerant und besonders unempfindlich gegen Stöße und Vibrationen. Besonders bei Inbetriebnahmebedingungen, in denen es zu Trockenlauf oder Betrieb mit falscher Drehrichtung kommen kann, hat die Lösung eine hohe Störtoleranz gezeigt. Auch die Toleranz gegenüber Gasbeladung des Fördermediums ist deutlich höher als bei anderen Lösungen.Auch bei hohen Drücken ist die Laufruhe garantiertDer Druckausgleich der Laufspindeln wird voll hydrostatisch realisiert. Die Spindeln sind somit kaum mechanisch belastet, was sich besonders bei Drücken über 60 bar in der Lebensdauer bemerkbar macht. Zwei Merkmale unterscheiden den hydrostatischen Druckausgleich der Emtec dabei von anderen Produkten: Die Laufspindeln sind einerseits endseitig in Ausgleichsbuchsen eingefasst. Dadurch ist der Drosselspalt zur Abgrenzung der Hochdruck- zur Niederdruckseite unabhängig von der axialen Lage der Spindeln. Resonanzerscheinungen durch Spaltveränderungen bei Axialschwingungen der Laufspindeln werden so verhindert. Andererseits sind die Ausgleichsbuchsen auf der Druckseite der Pumpe positioniert.Die Laufspindeln sind somit beiderseits druckentlastet, was die Laufruhe bei hohen Drücken verbessert. Außerdem können Partikel bei dieser Anordnung schlechter in den Dichtspalt der Buchsen eindringen, da sie nach außen abgeschleudert werden.Interessanterweise konnte gerade durch den Fortschritt in der Werkzeugtechnologie durch Kühlschmiermittelzufuhr mit hohem Druck der Schubausgleich an den Laufspindeln in sehr einfacher und effektiver Weise verwirklicht werden: Die Spindeln sind mit modernen Tiefbohrverfahren mittig durchbohrt.Das Konstruktionsprinzip der Emtec ist somit besonders geeignet für alle Anwendungen, die über die Einsatzgrenzen herkömmlicher Schraubenspindelpumpen hinausgehen. Emulsionen, Leichtöle, Flüssigbrennstoffe, nicht aggressive chemische Grundstoffe und andere Medien werden wirtschaftlich mit hohem Druck, hohem Wirkungsgrad, kontrollierter Fördermenge mit geringer Pulsation und sehr geräuscharm gefördert. Voraussetzung ist, das die Werkstoffe der Pumpe nicht korrosiv angegriffen werden und eine gewisse Restschmierfähigkeit des Fördermediums vorhanden ist.