Der Ausgleich der Axialkräfte in mehrstufigen Kreiselpumpen ist eine entscheidende Technologie für einen stabilen Betrieb. Aufgrund der Reihenanordnung der Laufräder summieren sich die Axialkräfte erheblich (bis zu mehreren Tonnen). Ein unzureichender Ausgleich kann zu Lagerüberlastung, Dichtungsschäden oder sogar zum Ausfall der Anlage führen. Im Folgenden werden gängige Verfahren zum Ausgleich der Axialkräfte sowie deren Prinzipien, Vorteile und Nachteile erläutert.
1.Symmetrische Laufradanordnung (Rücken an Rücken / Gesicht an Gesicht)
Bei der Konstruktion der Axialkraftausgleichsvorrichtung moderner Kreiselpumpen wird üblicherweise eine gerade Anzahl an Laufradstufen gewählt. Dies ermöglicht die Anwendung der symmetrischen Laufradverteilung zum Ausgleich der Axialkräfte. Die im Betrieb durch das symmetrisch verteilte Laufrad erzeugten Axialkräfte sind betragsmäßig gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet, wodurch makroskopisch ein Gleichgewichtszustand erreicht wird. Bei der Konstruktion ist darauf zu achten, dass die Größe der Dichtungsdrossel vor dem Einlass des umgekehrt laufenden Laufrads dem Laufraddurchmesser entspricht, um eine optimale Abdichtung zu gewährleisten.
●Prinzip: Benachbarte Laufräder sind in entgegengesetzter Richtung angeordnet, sodass sich ihre axialen Kräfte gegenseitig aufheben.
●Direkt hintereinanderZwei Sätze von Laufrädern sind symmetrisch um den Mittelpunkt der Pumpenwelle angeordnet.
●Von Angesicht zu AngesichtDie Laufräder sind spiegelbildlich angeordnet, entweder nach innen oder nach außen gerichtet.
●Vorteile: Keine zusätzlichen Geräte erforderlich; einfache Struktur; hohe Ausgleichseffizienz (über 90%).
●Nachteile: Komplexe Pumpengehäusekonstruktion; schwierige Optimierung des Strömungswegs; nur anwendbar auf Pumpen mit einer geraden Anzahl von Stufen.
●Anwendungen: Hochdruck-Kesselspeisepumpen, petrochemische mehrstufige Pumpen.
2. Balancierende Trommel
Die Ausgleichstrommel (auch Ausgleichskolben genannt) weist kein enges axiales Laufspiel auf. Sie kann zwar den größten Teil des Axialschubs kompensieren, jedoch nicht den gesamten. Bei axialer Bewegung erfolgt keine zusätzliche Kompensation, weshalb in der Regel Axiallager erforderlich sind. Diese Konstruktion führt zu einer höheren internen Rezirkulation (interner Leckage), ist aber toleranter gegenüber Anfahr- und Abschaltvorgängen sowie anderen transienten Zuständen.
●PrinzipNach dem letzten Laufrad ist eine zylindrische Trommel installiert. Hochdruckflüssigkeit tritt durch den Spalt zwischen Trommel und Gehäuse in eine Niederdruckkammer aus und erzeugt so eine Gegenkraft.
● AVorteile: Starke Ausgleichsfähigkeit, geeignet für Hochdruck-Mehrstufenpumpen (z. B. 10+ Stufen).
●NachteileLeckageverluste (ca. 3–5 % des Durchflusses) verringern die Effizienz. Zusätzliche Ausgleichsleitungen oder Rezirkulationssysteme sind erforderlich, was die Wartung komplexer macht.
●AnwendungenGroße mehrstufige Kreiselpumpen (z. B. Fernrohrpumpen).
3.Ausgleichsscheibe
Als gängiges Konstruktionsverfahren für die Axialkraftausgleichsvorrichtung moderner mehrstufiger Kreiselpumpen lässt sich die Ausgleichsscheibenmethode flexibel an die Produktionsanforderungen anpassen. Die Ausgleichskraft entsteht hauptsächlich durch das Verhältnis von Radial- zu Axialspiel der Scheibe sowie durch das Axialspiel und den Außenradius der Ausgleichsscheibe. Diese beiden Kräfte gleichen die Axialkraft aus. Im Vergleich zu anderen Methoden bietet die Ausgleichsscheibenmethode den Vorteil eines größeren Scheibendurchmessers und einer höheren Empfindlichkeit, was die Betriebsstabilität der Anlage verbessert. Aufgrund des geringen axialen Laufspiels ist diese Konstruktion jedoch unter transienten Bedingungen anfällig für Verschleiß und Beschädigung.
●PrinzipNach dem letzten Laufrad ist eine bewegliche Scheibe installiert. Der Druckunterschied über die Scheibe passt deren Position dynamisch an, um der axialen Kraft entgegenzuwirken.
●VorteileAutomatische Anpassung an axiale Kraftschwankungen; hohe Auswuchtgenauigkeit.
●NachteileReibung verursacht Verschleiß und erfordert daher einen regelmäßigen Austausch. Empfindlich gegenüber der Reinheit der Flüssigkeit (Partikel können die Scheibe blockieren).
●Anwendungen: Mehrstufige Reinwasserpumpen der Frühphase (werden nach und nach durch Ausgleichstrommeln ersetzt).
4.Auswuchttrommel + Scheibenkombination
Im Vergleich zur Ausgleichsplattenmethode unterscheidet sich die Ausgleichsplattentrommelmethode dadurch, dass die Drosselbuchse des Trommelsystems größer als die Nabe des Laufrads ist, während bei der Ausgleichsscheibe die Drosselbuchse an die Nabe des Laufrads angepasst sein muss. Bei der Konstruktion der Ausgleichsplattentrommel trägt die von der Ausgleichsplatte erzeugte Ausgleichskraft in der Regel mehr als die Hälfte zur gesamten Axialkraft bei, maximal bis zu 90 %. Die restlichen Anteile werden hauptsächlich von der Ausgleichstrommel übernommen. Eine moderate Erhöhung der Ausgleichskraft der Ausgleichstrommel reduziert die Ausgleichskraft der Ausgleichsplatte und ermöglicht deren kleinere Abmessungen. Dadurch wird der Verschleiß der Ausgleichsplatte verringert, die Lebensdauer der Anlagenteile verlängert und der ordnungsgemäße Betrieb der mehrstufigen Kreiselpumpe sichergestellt.
●PrinzipDie Trommel übernimmt den größten Teil der Axialkraft, während die Scheibe die Restkraft feinjustiert.
●VorteileVereint Stabilität und Anpassungsfähigkeit und eignet sich für variable Betriebsbedingungen.
●NachteileKomplexe Struktur; höhere Kosten.
●AnwendungenHochleistungs-Industriepumpen (z. B. Kühlmittelpumpen für Kernreaktoren).
5. Axiallager (Zusatzauswuchtung)
●PrinzipSchrägkugellager oder Kingsbury-Lager absorbieren die verbleibende axiale Kraft.
●VorteileZuverlässige Backup-Lösung für andere Ausgleichsmethoden.
●Nachteile: Erfordert regelmäßige Schmierung; kürzere Lebensdauer bei hohen axialen Belastungen.
●Anwendungen: Kleine bis mittelgroße mehrstufige Pumpen oder Hochgeschwindigkeitspumpen.
6. Doppelsaug-Laufradkonstruktion
●Prinzip: In der ersten oder mittleren Stufe wird ein doppelseitig saugendes Laufrad eingesetzt, das die axiale Kraft durch beidseitigen Zufluss ausgleicht.
●Vorteile: Effektives Auswuchten bei gleichzeitiger Verbesserung der Kavitationsleistung.
●Nachteile: Gleicht nur die axiale Kraft einer einzelnen Stufe aus; für mehrstufige Pumpen sind andere Methoden erforderlich.
7. Hydraulische Ausgleichsbohrungen (Löcher an der Laufrad-Rückplatte)
●Prinzip: In die Rückplatte des Laufrads werden Löcher gebohrt, die es ermöglichen, dass unter hohem Druck stehendes Fluid in die Niederdruckzone zurückgeführt wird, wodurch die axiale Kraft reduziert wird.
●VorteileEinfach und kostengünstig.
●Nachteile: Verringert die Pumpeneffizienz (um ca. 2–4 %).Nur für Anwendungen mit geringer Axialkraft geeignet; erfordert häufig zusätzliche Axiallager.
Vergleich von Methoden zum Ausgleich axialer Kräfte
| Verfahren | Effizienz | Komplexität | Wartungskosten | Typische Anwendungen |
| Symmetrische Laufräder | ★★★★★ | ★★★ | ★★ | Gleichstufige Hochdruckpumpen |
| Balancierende Trommel | ★★★★ | ★★★★ | ★★★ | Hochdruck-Mehrstufenpumpen |
| Ausgleichsscheibe | ★★★ | ★★★★ | ★★★★ | Saubere Flüssigkeiten, variable Belastungen |
| Trommel + Scheibenkombination | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★ | Extrembedingungen (nuklear, militärisch) |
| Axiallager | ★★ | ★★ | ★★★ | Ausgleich der axialen Restkräfte |
| Doppelsaug-Laufrad | ★★★★ | ★★★ | ★★ | Erste oder mittlere Stufe |
| Ausgleichslöcher | ★★ | ★ | ★ | Kleine Niederdruckpumpen |
Veröffentlichungsdatum: 29. März 2025