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Interne Leckage

Was ist eine interne Leckage?


Wie in der Übersicht über Verdrängerpumpen bereits angesprochen, ist die feste Verdrängung unabhängig vom Auslassdruck lediglich theoretisch. Materialbiegung, interne Leckage („Blow-by”), Verschleiss und andere Variablen führen zu unterschiedlich starker Druckabhängigkeit. An dieser Stelle befassen wir uns mit den Einzelheiten der internen Leckage.

Interne Leckage an den Zahnköpfen in einer Zahnradpumpe

Die interne Leckage beruht auf der Passungenauigkeit der Komponenten einer Pumpenbaugruppe. Unabhängig davon, wie gut die beiden Komponenten aufeinander abgestimmt sind, sind mikroskopisch kleine Spalten vorhanden, durch die sich die Fluide bewegen. Die interne Leckage ist typischerweise linear zur dynamischen Viskosität eines Fluids und damit bei Fluiden mit niedriger Viskosität ausgeprägter.

Interne Leckagen sind nicht immer unerwünscht. Zum Schmieren der Lager von Zahnradpumpen sind Strömungen von Hochdruck- zu Niederdruckbereichen notwendig, damit ein korrektes hydrodynamisches Lager aufgebaut werden kann. Bei einigen Pumpen wird die interne Leckage zur Begrenzung des Maximaldrucks und damit zum Schutz des Systems vor Überdruck genutzt.

In einigen Pumpenkonstruktionen wird die interne Leckage durch die Nutzung kompatibler Materialien mit Presspassungen (z. B. Dichtungen) vermieden. Mit diesen Strategien können nahezu alle internen Leckagen vermieden werden. Sie führen jedoch zu Gleitverschleiss, der wiederum andere Probleme verursacht. Dieser Artikel geht nicht näher auf Gleitdichtungen ein.


Rotierende Verdrängerpumpen


Die beiden gängigsten Quellen für interne Leckagen bei Kreiselpumpen sind das Kopf- und Flankenspiel. Diese beiden Spieltypen treten nicht bei allen Pumpen auf, so weisen Flügelzellenpumpen kein Kopfspiel auf, da die Flügel aktiv an der Wandung entlang gleiten. Interne Leckagen in rotierenden Verdrängerpumpen reduzieren nicht nur die Durchflussrate, sondern auch den Maximaldruck und die Ansaugfähigkeit.


Kopfspiel

Das Spiel am Zahnrad, Rotor oder Drehkolben ist eine wichtige Quelle für die interne Leckage. Das Fluid erreicht die Geschwindigkeit an der Oberfläche des Zahnkopfs und Stillstand (Geschwindigkeit ist Null) an der Kammerwandung ohne Druck und wird dazwischen linear verteilt. Wenn der Druck am Auslass jedoch hoch genug ist, kann sich die Mitte der Kurve umkehren und etwas Fluid zurückströmen. Bei blockiertem Fliessdruck (Durchflussrate ist Null) entspricht das sich vorwärts bewegende Fluidvolumen dem rückwärts strömenden Fluid (ohne Berücksichtigung der übrigen Ursachen für Leckagen). 

Fluidströmung am Zahnkopf

Im Gegensatz zu anderen Arten interner Leckagen ist das Kopfspiel extrem schwer zu modellieren. Betrachtungen experimenteller Daten und physikalischer Modelle lassen darauf schliessen, dass der Leckagemechanismus eine Kreuzung aus Laminarströmung (abhängig von der Viskosität) und Flüssigkeitsträgheit (abhängig von der Dichte) ist. Die Daten deuten darauf hin, dass eine Abhängigkeit der internen Leckage von h2 und h3 vorliegt, wobei h das Radialspiel ist, die linear zur umgekehrten Kopflänge ist.

Den Designern von Innen- und Aussenzahnradpumpen, Gerotorpumpen und Drehkolbenpumpen stehen drei Verfahren zur Reduzierung der Wirkung der Leckage an den Zahnköpfen zur Verfügung:

  1. Verringerung des Kopfspiels. Dies erfordert hohe, wiederholbare Präzision, eine exzellente Qualitätskontrolle und den Einsatz von Materialien mit minimaler Distorsion aufgrund von Flüssigkeitsaufnahme, Temperaturunterschieden, Restspannungen und Mikroschlupf. Diese Überlegungen müssen auf Zahnräder, Gehäuse, Lager und Wellen angewendet werden.
  2. Vergrösserung der Länge des Kopfspiels. Dabei handelt es sich um eine Designwahl, der Ausgleich ist die Verringerung des Volumens pro Umdrehung. Die interne Leckage ist jedoch proportional zu  und kann in vielen Fällen [bis zu] 75 % [betragen].

     
    Kopf für Verdrängung optimiert   Kopf für geringe interne Leckage optimiert


  3. Erhöhung der Zähnezahl an den Zahnrädern. Bei einer Erhöhung der Kopflänge resultieren mehr Zähne in weniger Volumen pro Umdrehung. Mehr Zähne in unmittelbarer Nähe der Pumpenkammer erzeugen mehr „Druckdichtungen” wie in den nachstehenden, aus einer Simulation der Fluiddynamik stammenden, Druckergebnissen dargestellt. Die Erhöhung der Anzahl Zähne kann zu zusätzlichen Vorteilen wie einer gleichmässigeren Strömung und Geräuschreduzierung führen.

Rechnerische Simulation der Fluiddynamik der Leckage an den Zahnköpfen

Flankenspiel

Bei vielen rotierenden Verdrängerpumpen ist die interne Leckage an den Flanken der rotierenden Elemente für den grössten Anteil an der internen Leckage verantwortlich. Das Spiel in dieser Richtung ist leichter zu steuern als das Kopfspiel (weniger Komponenten im Toleranzstapel), die Oberfläche ist jedoch grösser und die Durchflussrate ist proportional zur dritten Potenz des Spalts (h3). Vorteile wie zahlreiche Zähne entlang des Leckagepfads und die hohe Vorwärtsgeschwindigkeit an den Köpfen der Zähne fehlen bei einer Strömung über die Flanken. Die einzige Option zur Verringerung der Leckage über die Flanke ist, die Präzision und die Qualität der Komponenten zu steigern, sodass das Spiel reduziert werden kann.

Interne Leckage über die Zahnradflanken

Bei einigen Pumpen werden PTFE-Dichtungen zwischen den Gehäuseteilen angebracht. Diese Dichtungen dichten die Pumpe gegen externe Leckagen ab. Die Stärke dieser Dichtungen muss jedoch beim Flankenspiel berücksichtigt werden. Die Stärke der Dichtungen kann sich im Laufe der Zeit und/oder aufgrund der Temperatur verändern und damit die Leistung der Pumpe beeinflussen.


Oszillierende Verdrängerpumpen


Oszillierende Verdrängerpumpen sind für Messungen oder Dosierungen präziser Flüssigkeitsmengen ideal. Dass diese Pumpen die geringste interne Leckage der beiden Klassen von Verdrängerpumpen aufweisen, kommt nicht überraschend. Die für viele Anwendungen erforderliche Präzision macht die interne Leckage jedoch zu einem wichtigen Faktor beim Design und der Herstellung der Pumpe.


Rückschlagventile

Die allen oszillierenden Pumpen gemeinsame Ursache der internen Leckage sind die in den Einlass und Auslass integrierten Rückschlagventile. Die meisten Rückschlagventile in Pumpen sind entweder Membranrückschlagventile (1) oder Kugelrückschlagventile (2), die nicht mit Kugelhähnen verwechselt werden sollten. Die Leckage am Einlass kann zu einem unbeabsichtigten positiven Druck an der Ansaugung führen. Eine Leckage am Auslass kann Flüssigkeiten von der Auslassöffnung leicht zurückziehen. In beiden Fällen wird das effektive Abgabevolumen reduziert.

Beispiele für Rückschlagventile in Membranpumpen

Bei Membranrückschlagventilen wird flexibles Gummi über einer Öffnung positioniert, das im Gleichgewichtszustand geschlossen ist. Die Abdichtung hängt von der unbelasteten Form der Membran in Verbindung mit Gegendruck zur Vermeidung von Rückleckagen ab. Membranrückschlagventile sind in verschiedenen Formen, darunter Ventile mit frei schwimmender Scheibe, biegsamen Elastomer, als Lippenrückschlagventil und Schirmrückschlagventil verfügbar. Die Rückleckage kann durch die im Laufe der Zeit auftretende Verformung der Membran, Störungen durch Ablagerungen auf der Oberfläche der Dichtung oder Schleifpartikel im Fluid entstehen, die die Dichtung oder die Oberfläche der Dichtung verschleissen.

Federbelastete Kugelhähne dichten ab, indem sie einen Formschluss zwischen der Kugel und dem Sitz herstellen. Der Sitz ist häufig konisch und lenkt die Kugel für eine Qualitätsdichtung in den Sitz. Die maximale Nutzungsdauer wird normalerweise durch den Aufbau aus harten Werkstoffen erreicht. Diesen starren Materialien fehlt jedoch die nötige Nachgiebigkeit zur gegenseitigen Anpassung, wodurch mikroskopische Pfade entstehen, auf denen das Fluid durchsickern kann.

Viele Unternehmen haben sich auf das Design und die Produktion von Qualitätsrückschlagventilen spezialisiert. Die Materialien, Designs und Herstellungsverfahren sind gut entwickelt. Die oben beschriebenen inhärenten Merkmale können jedoch nicht vermieden werden. Ventillose Kolbenpumpen ermöglichen einen Aufbau ohne Rückschlagventile, obwohl eine zusätzliche Ursache für interne Leckage vorhanden ist.


Kolbenspiel

Kolbenpumpen und ventillose Kolbenpumpen sind mit einem Kolben ausgestattet, der in einem Zylinder gleitet. Abweichungen der Geradheit, Grösse, Rundheit und Zylindrizität führen zu Spalten, durch die das Fluid strömen kann. Die Leckagemenge hängt linear vom Ausgangsdruck ab und wird vom dispensierten Volumen subtrahiert.

Interne Leckage in einer Kolbenpumpe

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

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

Den Pumpendesignern steht normalerweise nur eine Variable zur Verfügung, das Spiel. Der Fluss ist proportional zu h3, eine Hochleistungs-Kolbenpumpe erfordert also ein sehr geringes Spiel. Zur Verdeutlichung ist nachstehend eine Pumpenanwendung mit Wasser mit einem von 0 bis 20 µm variierenden Spiel abgebildet. Bei Präzisionsanwendungen muss das Spiel erheblich kleiner als 1 % der benötigten Verdrängung sein.

Interne Leckage einer Kolbenpumpe als Funktion des Spiels

Ein Spiel im einstelligen Mikrometerbereich (Mikron) zu erreichen, ist nicht einfach. Variablen wie Form, Grösse, Oberflächenbeschaffenheit, Wärmedehnung und Bearbeitungstechniken müssen genau evaluiert werden. Keramische Werkstoffe haben optimale Eigenschaften für diese Anwendung:

  • Geringe Wärmedehnung
  • Eignung für Präzisionsschliff
  • Kleine Korngrösse
  • Keine Massänderungen bei einer Vielzahl Fluids

Die Auswahl des geeigneten Materials steht jedoch ganz am Anfang der Lösung. Anschliessend müssen stark kontrollierte Verfahren für die Präzisionsbearbeitung und Qualitätskontrolle eingeführt werden. Das geht über die üblichen ISO-9001-Verfahren hinaus und verlangt umfassende Expertise und Erfahrung in der Lieferung hoher Qualität in mikroskopischen Dimensionen.


Zusammenfassung


Die interne Leckage ist eine Gegebenheit, die bei Verdrängerpumpen nicht ausser Acht gelassen werden darf, es sei denn, dass der Anwender Verschleisskomponenten mit begrenzter Nutzungsdauer als Gleitdichtungen akzeptiert. Der Schlüssel zu einem hydraulisch effizienten und wiederholbaren Design ist die Verwendung geeigneter Werkstoffe, hochpräzise Bearbeitung, 100%ige Tests der Pumpe und disziplinierte Qualitätssicherungsprozesse. Wenn eine Anwendung Genauigkeit, Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit verlangt, ist die Kommunikation zwischen den Ingenieuren zur Vermeidung von Überraschungen bei weit fortgeschrittener Entwicklung oder im Produktionszyklus unerlässlich.