Vier gewinnt

Pulsationsdämpfung bei Hochdruckpumpen

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29.06.2008 Drei zeitversetzt arbeitende Kolben haben sich bei oszillierenden Verdrängerpumpen schon lange als probates Mittel gegen Pulsationen bewährt. Bei Hochdruckpumpen kommt zu der Hauptursache, dem sinusförmigen Geschwindigkeitsverlauf des Kolbens, jedoch ein weiteres Phänomen hinzu: Die Kompressibilität der zu fördernden Flüssigkeit. Warum die Volumenstrompulsation einer 4-Plungerpumpe niedriger als die einer 3-Kolbenpumpe sein kann, erfahren Sie hier.

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Der Arbeitsablauf einer oszillierenden Verdrängerpumpe ist einfach zu beschreiben: Beim Saughub wird das zu fördernde Medium durch ein Saugventil so lange angesaugt, bis der hintere Totpunkt erreicht ist. Dann kehrt sich die Bewegungsrichtung des Kolbens um und das im Arbeitsraum vorhandene Förderfluid wird aus dem Druckventil in die Druckleitung geschoben, bis der vordere Totpunkt erreicht wird. Danach beginnt der Ablauf aus Saug- und Druckhub wieder von vorne. Die dabei entstehenden Pulsationen in der Druckleitung lassen sich jedoch vermindern, indem drei Kolben über eine Kurbelwelle gleichmäßig zeitversetzt angetrieben werden und gemeinsam in die Druckleitung fördern.

Beim Druckhub wird das Fördermedium zunächst so lange verdichtet, bis der in der Druckleitung herrschende Druck erreicht ist. Erst danach beginnt der eigentliche Fördervorgang. Gegenüber Gasen haben Flüssigkeiten, zum Beispiel Wasser, eine niedrige Kompressibilität, so dass man diese bei niedrigen Drücken als vernachlässigbar ansehen und mit einer idealen Flüssigkeit rechnen kann. Bei Pumpen die in Hochdruck-Anwendungen – beispielsweise in der HochdruckReinigung – eingesetzt werden, liegen die Betriebsdrücke oft weit jenseits von 1000 bar. Hier wirkt sich die Kompressibilität der Flüssigkeit bereits deutlich aus, was anhand des Schemas in Bild 2 deutlich wird: Oben ist das Pumpenprinzip mit dem Plunger und den Ventilen dargestellt, unten der Druckverlauf im Arbeitsraum eines Plungers.
Der Druckhub beginnt links, also bei S1. Zunächst wird die Flüssigkeit im Arbeitsraum komprimiert. Am Punkt D1 wird der Betriebsdruck erreicht. Ab hier öffnet das Druckventil und der Plunger schiebt die Flüssigkeit in die Druckleitung aus. Am Ende des Druckhubes, bei D2, kehrt die Bewegung des Plungers um und der Saughub beginnt. Aber erst, wenn bei S2 der Arbeitsraum entspannt ist, kann das Saugventil öffnen und die Pumpe ansaugen. Daraus wird deutlich, dass die Strömungsgeschwindigkeit in den Leitungen während des Verdichtens und Entspannens „Null“ ist und der Plunger beim Öffnen der Ventile bereits beträchtliche Geschwindigkeit aufgenommen hat, so dass es zu den in Bild 3 erkennbaren Geschwindigkeitssprüngen kommt. Die dunkle Linie zeigt, wie sich der Plunger bewegt, die hellen Linie beschreibt den Verlauf der Strömungsgeschwindigkeit. Die Ankoppelungssprünge sind deutlich zu erkennen. Je kompressibler das Fördermedium ist, um so höher sind diese Sprünge. Bei inkompressiblen, also idealen Flüssigkeiten sind die Sprünge nicht vorhanden und das Medium folgt direkt dem Plunger. Diese Sprünge der Fluidgeschwindigkeit zieht starke Förderstrompulsationen nach sich, die in der Folge zu Druckpulsationen und wegen des stossartigen Verhaltens zu starken hochfrequenten Druckschwingungen führen können.
Bei drei oder mehr Plungern überlagern sich die Strömungsgeschwindigkeiten im Drucksammelstück. Bild 4 zeigt den Zusammenhang für ideale, also inkompressible Flüssigkeiten. In diesem Falle ist die von einer Dreikolbenpumpe verursachte Volumenstrompulsation tatsächlich geringer als die einer Vierkolbenpumpe.
Bei realen Flüssigkeiten wird ein Teil des Hubes nicht zum Fördern, sondern zum Komprimieren bzw. Entspannen verwendet. Daher fördert die Pumpe prinzipiell weniger, als sie auf Grund des geometrischen Fördervolumens könnte. Das Verhältnis der tatsächlichen zur idealen Fördermenge ist der volumetrische Wirkungsgrad, mit dem sich eine Pumpe charakterisieren lässt. Werden 10 % des Druckhubs zum Komprimieren verbraucht, beträgt der volumetrische Wirkungsgrad 90 %. Die Überlagerungsdiagramme der Kolben sehen wegen der Sprünge ganz anders aus. Die Volumenstrompulsation einer Dreikolbenpumpe ist jetzt größer als die einer Pumpe mit vier Plungern. Dies ist dann der Fall, wenn der volumetrische Wirkungsgrad kleiner als 97 % ist, also wenn 3 % des Hubes zum Komprimieren benötigt werden. Das ist nicht viel und in der Hochdrucktechnik die Regel. Den Sachverhalt zeigt Bild 5. Die Linien der 3- und 4-Kolbenpumpen kreuzen sich bei 97 %. Eine 5-Kolbenpumpe ist im Hinblick auf die Volumenstrompulsation allerdings noch besser.
Die neue Hochdruckpumpen-Baureihe Px-70 trägt dem Rechnung. Für einen Druckbereich bis 2800 bar werden die Maschinen mit drei, vier oder fünf Plungern gebaut. Die neue 4-Plungerpumpe P4-70 hat eine Leistung bis 450 kW. Durch die Systembauweise lassen sich Vorteile insbesondere bei Platzbedarf, Wartung und Service erzielen. Darüber hinaus wird die Lagerhaltung der Ersatzteile durch das Baukastenprinzip deutlich vereinfacht.[AS]

Heftausgabe: Mai 2008

Über den Autor

Scheuermann
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