Thermische Untersuchung einer Ofeneinsatzpumpe

Der Auftraggeber musste im Laufe der letzten Jahre überdurchschnittlich viele Reparaturen an einer Ofeneinsatzpumpe, bei Einsatztemperaturen bis ca. 400°C, durchführen. Hierbei handelt es sich um eine 8-stufige Pumpe in einem Mantelgehäuse und einer „Back to Back“-Anordnung der Laufräder mit Doppelspiralen je Stufe. Die Problemzonen der Pumpe waren Gleitringdichtungen, Lager, Rotor und Innengehäuse sowie Verwerfungen im Innengehäuse. Es erging somit der Auftrag, ein 3D-Modell der Pumpe zu erstellen und anschließend eine thermische Berechnung durchzuführen.

Nenndaten Ofeneinsatzpumpe

  • Type: Barrel Type, BB5 gem. API 610,
    8 Stufen
  • Förderhöhe: 560 m
  • Fördermenge: 64 m³/h
  • Auslegetemperatur: 400 °C
  • Leistungsbedarf: 116 kW
  • Fördermedium: Vakuumgasöl
  • Stockpunkt: 60 °C
  • Baujahr 2008

Mittels Konstruktionszeichnungen und einer vom Auftraggeber zu Verfügung gestellter und beschädigten Pumpe wurde in aufwändiger Arbeit ein vollständiges 3D-CAD-Modell erstellt – fehlende Größen, wie z.B. Spiralkonturen oder Überstromkanäle, wurden an der Pumpe ausgemessen und nachgebildet.

Schäden und erkennbare Problemzonen an der Ofeneinsatzpumpe
Schäden und erkennbare Problemzonen an der Ofeneinsatzpumpe
Ofeneinsatzpumpe: Untere Hälfte des fertigen 3D-Modells der Pumpe mit eingebauter Welle und Laufräder
Ofeneinsatzpumpe: Untere Hälfte des fertigen 3D-Modells der Pumpe mit eingebauter Welle und Laufräder
Numerisches Gesamtmodell der Ofeneinsatzpumpe mit Außengehäuse zur thermischen Untersuchung
Numerisches Gesamtmodell der Ofeneinsatzpumpe mit Außengehäuse zur thermischen Untersuchung
Numerisches Modell der Ofeneinsatzpumpe: Definition der Lagerung des Gesamtmodells
Numerisches Modell der Ofeneinsatzpumpe: Definition der Lagerung des Gesamtmodells

Analytische Berechnung der Welle-Laufrad-Verbindungen

Um die thermische Berechnung durchführen zu können, mussten zunächst für alle verbauten Werkstoffe temperaturabhängige Kennwerte bestimmt werden. Auf Grund der Verwendung von mehreren Literaturquellen traten erwartungsgemäß Streuungen auf. Somit mussten im Folgenden alle möglichen Kombinationen durchgerechnet werden.

Um einen Überblick über das Verhalten der Bauteile/des Systems zu erhalten, wurde vor der numerischen 3D-Berechnung eine vereinfachte analytische Rechnung durchgeführt. Dabei wurden sowohl die Welle-Nabe-Verbindungen zwischen der Welle und den Laufrädern als auch die thermische Ausdehnung berechnet. Der Einfluss der Axialkraft und der Leckage auf das Betriebsverhalten wurde ebenfalls untersucht.

Numerische Berechnung des Wärmeausdehnungsverhaltens (3D-Modell) und Überprüfung der analytischen Berechnungen

Mit der numerischen 3D-Rechnung wurden die analytischen Berechnungen validiert und das vollständige Modell der Pumpe berechnet. Auch bei diesem Berechnungsschritt mussten alle möglichen Kombinationen der aus der Literaturrecherche ermittelten Werkstoffkennwerte durchgerechnet werden. Die analytischen und numerischen Berechnungen stimmten sehr gut überein.

Ofeneinsatzpumpe: Verformungsrichtungen der Komponenten im Gesamtsystem
Ofeneinsatzpumpe: Verformungsrichtungen der Komponenten im Gesamtsystem
Ofeneinsatzpumpe: Verschiebungen des numerischen Modells für maximale Ausdehnung
Ofeneinsatzpumpe: Verschiebungen des numerischen Modells für maximale Ausdehnung

Ergebnis: Beseitigung der Ausfälle

Insgesamt konnte festgestellt werden, dass deutliche axiale Verschiebungen auf Grund der thermischen Belastung auftreten. Diese bewirken jedoch keine unmittelbare Gefahr für den sicheren Betrieb der Pumpe. Die Untersuchung der Welle-Nabe-Verbindung ergab allerdings einen nicht ausreichend dimensionierten Presssitz aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Der Einfluss der Axialkraft wurde dargestellt und die daraus resultierenden Probleme erörtert. Folgende Modifikationen des Auftraggebers an der Ofeneinsatzpumpe führte zur Beseitung der Ausfälle:

  • Wechsel des Wellenwerkstoffes auf einen artgleichen Werkstoff
  • Neufertigung aller Laufräder
  • Designänderung am Laufrad der 8. Stufe
  • keine Wärmebehandlung des Innengehäuses

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