Afbeelding in veldstijl, opgesteld voor een pomp met enkele spiraal versus een pomp met dubbele spiraal.
Tijdens de inbedrijfstelling van een ketelvoedingspomp van 500 HP vertoonde de koppelingsbeschermkap zichtbare trillingen bij een debiet van 60%. De basistest bij BEP verliep vlot, maar bij bedrijf onder gedeeltelijke belasting werden binnen twee uur alarmsignalen voor de lagers temperatuur geactiveerd. De hoofdoorzaak bleek een radiale stuwkrachtonevenwichtigheid in de behuizing met enkele spiraal te zijn – een probleem dat bij een ontwerp met dubbele spiraal tot een minimum zou zijn beperkt.
Een enkele spiraalbehuizing vangt de afvoerstroom op via één spiraalkamer rondom de waaier, waardoor een hoge radiale stuwkracht wordt gegenereerd bij bedrijfsomstandigheden buiten het BEP. Een dubbele spiraalbehuizing splitst het opvangtraject in twee kamers van 180 graden, waardoor tegengestelde drukkrachten worden gecompenseerd en de netto radiale belasting over het gehele werkingsbereik wordt verminderd. De keuze tussen de configuraties hangt af van de verwachte debietschommelingen, de asstijfheid, het lagervermogen en de vereisten voor onderhoudstoegang.
Belangrijkste opmerkingen
- Enkelvoudige spiraalbehuizingen leveren een maximale efficiëntie op het punt van optimale efficiëntie (BEP), maar veroorzaken een hoge radiale stuwkracht wanneer de stroming meer dan 20% afwijkt van het BEP.
- Ontwerpen met dubbele spiraal verminderen de radiale stuwkracht tot 10-25% van het niveau bij een enkele spiraal bij een BEP-debiet van 40-120%, waardoor de levensduur van de lagers wordt verlengd en de asdoorbuiging wordt verminderd.
- Een constructie met één spiraal kost 15-30% minder en biedt ruimte voor grotere toegangsopeningen voor onderhoud, waardoor deze geschikt is voor drinkwatertoepassingen met een stabiele debietbehoefte.
- Bij dubbele spiraalbehuizingen is een stroomverdeler nodig die op het BEP een lichte efficiëntievermindering van 1 à 2 procentpunten met zich meebrengt, maar bij deellast superieure prestaties levert.
Geometrie van de spiraal en drukverdeling
De spiraalvormige kamer zet de kinetische energie van de waaier om in druk door de doorsnede van de stroming geleidelijk te vergroten. Bij een ontwerp met één enkele spiraal (https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/volute) wikkelt één doorlopende spiraal zich rond de waaier, vanaf de snijrand tot aan de uitstroomopening. De vloeistof verlaat de waaier met hoge snelheid en vertraagt naarmate het spiraalhuisoppervlak toeneemt, afhankelijk van het debiet bij elke hoekpositie.
De snijrand bevindt zich op één punt aan de omtrek van de waaier, waardoor een asymmetrisch drukveld ontstaat. Bij het ontwerpdebiet komt de drukstijging rond de spiraalhuis grofweg overeen met de oppervlakteverloop van de geometrie. Bij bedrijf buiten het ontwerpbereik raakt dit evenwicht verstoord: bij lagere debieten ontstaan er hogedrukzones tegenover de snijrand, terwijl bij hogere debieten de locatie van de drukpiek verschuift.
Een dubbele spiraalkamer voegt een tweede spiraalkamer en een verdelingslip toe op 180 graden ten opzichte van de primaire spiraalkamer. Elke kamer verwerkt de helft van de totale stroming. De tegengestelde drukverdelingen wekken radiale krachten op die elkaar opheffen in plaats van elkaar te versterken, waardoor de netto belasting op de as en de lagers wordt verminderd.
Radiale stuwkrachtkenmerken over het gehele werkingsbereik
De grootte van de radiale stuwkracht volgt een voorspelbaar patroon in relatie tot het debiet. Bij het BEP genereert zelfs een enkele spiraalkamer slechts een minimale nettokracht, omdat de drukverdeling dan bijna omtreksymmetrisch is. Bij de meeste centrifugaalpompen treedt de maximale radiale belasting op bij 40-60% van het BEP-debiet.
De relatie kan als volgt worden weergegeven:
**F_r = K × D₂ × B₂ × ρ × H**
Waar:
- F_r = radiale stuwkracht (N)
- K = stuwkrachtcoëfficiënt (0,15-0,35 voor een enkele spiraal, 0,02-0,08 voor een dubbele spiraal)
- D₂ = diameter van de waaier (m)
- B₂ = breedte van de uitlaat van de waaier (m)
- ρ = dichtheid van de vloeistof (kg/m³)
- H = pomphoogte (m)
Voor een waaier met een diameter van 300 mm die water verpompt met een opvoerhoogte van 80 m en een uitlaatbreedte van 50 mm, genereert een enkele spiraalbehuizing bij 50% BEP een radiale belasting van ongeveer 8.500 N bij K = 0,30. De equivalente dubbele spiraal met K = 0,06 produceert 1.700 N — een vermindering van 80%.
This force difference translates directly to bearing loads, shaft deflection, and seal chamber alignment. Axially split casing pumps (https://customer-suite-dev.ksbusa.com/images/Resources/Know-How%20Booklets/KSB_Know-How_Axially_Split_Casing_Pumps.pdf) operating with variable flow demand typically specify double volutes to maintain bearing L10 life targets above 40,000 hours.
Afwegingen tussen efficiëntie en prestaties
Ontwerpen met een enkele spiraal behalen een toprendement dat 1 à 2 procentpunten hoger ligt dan dat van vergelijkbare pompen met een dubbele spiraal. Doordat er geen splitterlip is, wordt een bron van hydraulisch verlies weggenomen en verloopt de overgang van de stroming van de waaier naar de uitlaat soepeler. Bij toepassingen met een constant toerental die continu in de buurt van het BEP werken, stapelt dit rendementsvoordeel zich gedurende de gehele levensduur van de pomp op.
De rendementscurves verschillen zowel qua vorm als qua omvang. Pompen met één spiraal vertonen een scherpe piek, waarbij het rendement snel afneemt buiten een bereik van ±15% ten opzichte van het BEP. Configuraties met dubbele spiraal (https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/dynamic-pump) behouden vlakkere rendementsprofielen over een bereik van 60-120% van het ontwerpdebiet, waardoor ze superieur zijn voor aandrijvingen met variabel toerental of processen met een wisselende vraag.
De splittertong moet nauwkeurig worden gepositioneerd – doorgaans binnen ±2 graden ten opzichte van de 180-graden-middellijn – om een evenwichtige stuwkrachtvermindering te bereiken. De opeenstapeling van fabricagetoleranties kan de prestaties van de dubbele voluut in gevaar brengen als de uitlijning van de tong verschuift tijdens het gieten of lassen. Kwaliteitsgieterijen houden de positie van de splitter binnen ±1 graad door middel van opspanning tijdens het maken van het gietmodel.
Selectiecriteria voor configuraties met enkele versus dubbele spiraal
Kies voor behuizingen met één spiraalhuis wanneer de pomp continu binnen ±10% van het BEP werkt, de aandrijving op een vast toerental draait en de toepassing een robuuste lagerafmeting toelaat. Gemeentelijke waterdistributie, koelsystemen met constante druk en condensafvoer voor basislast passen in dit profiel. De eenvoudigere gietvorm verlaagt de aanschafkosten en dankzij de enkele inlaatopening is er een grotere toegangsopening beschikbaar voor inspectie van de waaier.
Kies voor dubbele spiraalkamers bij toepassingen met variabel debiet, pompen met toerentalregeling, parallel bedrijf van pompen waarbij afzonderlijke eenheden worden belast en ontlast, of bij elke toepassing waarbij het debiet regelmatig onder 70% van het BEP daalt. De vermindering van de radiale stuwkracht rechtvaardigt de extra complexiteit bij de fabricage wanneer de levensduur van de lagers, de betrouwbaarheid van de afdichtingen of de grenzen voor asdoorbuiging de oorzaak van storingen worden.
**Selectiefactor** | **Enkele spiraal** | **Dubbele spiraal** |
Werkbereik | ±10% van BEP | 40-120% van BEP |
Radiale stuwkracht bij een doorstroming van 50% | Hoog (K = 0,15-0,35) | Laag (K = 0,02-0,08) |
Maximale efficiëntie | 1-21 TP3T hoger | Referentiebasislijn |
Relatieve kosten | Uitgangssituatie | +15-30% |
Levensduur van het lager bij deellast | Beperkt | Uitgebreid |
Toegang voor onderhoud | Er zijn grotere poorten beschikbaar | Beperkt door de splitter |
Procespompen die slurries of schurende vloeistoffen verpompen, vormen een speciaal geval. De splitsingslip in een dubbele spiraalbehuizing vormt een slijtagepunt dat sneller erodeert dan de hoofdschotplaat. Enkelvoudige spiraalbehuizingen met hardgecoate schotplaten en overgedimensioneerde lagers blijken voor deze toepassingen vaak voordeliger te zijn, ondanks de hogere radiale belastingen.
Mechanische en installatieaspecten
De doorbuiging van de as onder radiale belasting beïnvloedt de uitlijning van de afdichtingskamer en de slingering van de koppeling. Een pomp met één spiraalhuis bij 50% BEP kan een asdoorbuiging van meer dan 0,15 mm bij de afdichtingsvlakken veroorzaken, waardoor standaard patroonafdichtingen buiten hun compensatiebereik worden gedreven. Verbeterde pompontwerpen (https://www.sulzer.com/-/media/files/services/rotating-equipment-services/pump-services/white-paper/enhanced_efficiency_and_reliability_a10468.pdf) lossen dit op door een grotere asdiameter, kortere lagerafstanden of de overstap naar dubbele spiraalbehuizingen.
Ook de funderingsbelastingen verschillen per configuratie. De pulserende radiale stuwkracht in een pomp met één spiraalhuis veroorzaakt dynamische belastingen bij bedrijfssnelheid en de frequentie van de schoepenpassage. Dubbele spiraalbehuizingen verminderen deze trillingsbronnen, maar elimineren ze niet volledig — resterende onbalans als gevolg van fabricagetoleranties of slijtagepatronen veroorzaakt nog steeds in de tijd variërende krachten. Bij het ontwerp van de fundering moet rekening worden gehouden met dynamische versterkingsfactoren op basis van het gekozen type spiraalbehuizing en het verwachte werkingsbereik.
De richting van de splitsing van de behuizing hangt samen met de configuratie van de spiraal. Bij radiaal gesplitste behuizingen met enkele spiraalkamers wordt de verbinding loodrecht op de richting van de maximale radiale belasting geplaatst om de spanning op de verbinding te minimaliseren. Bij axiaal gesplitste behuizingen met dubbele spiraalkamers loopt de splitsingslijn door beide splitsingslippen, maar dit vereist een zorgvuldige regeling van de pakkingcompressie om bypassstroming tussen de twee spiraalkamers te voorkomen.
FAQs
Kan je een pomp met één spiraalhuis ombouwen tot een pomp met twee spiraalhuizen door het huis te vervangen?
Nee. De waaier, de as, het lagerhuis en vaak ook het frame moeten opnieuw worden ontworpen om rekening te houden met de afwijkende drukverdeling en de lagere stuwkrachtbelastingen van de dubbele spiraalhuis. De ombouwkosten bedragen doorgaans meer dan 70% van de prijs van een nieuwe pomp. Als de radiale stuwkracht in een bestaande installatie met een enkele spiraalhuis te groot blijkt te zijn, zijn oplossingen onder meer debietregeling om de werking dicht bij het BEP te houden, asverbeteringen of het vergroten van het lagervermogen.
In hoeverre beïnvloedt het type spiraal de minimale doorstroomvereisten?
Beide configuraties vereisen een minimale continue doorstroming om recirculatie en oververhitting te voorkomen, doorgaans 40-50% van BEP. Dubbele spiraalkamers zijn beter bestand tegen intermitterend bedrijf onder de minimale doorstroming vanwege de lagere mechanische belasting door radiale stuwkracht, maar geen van beide typen mag continu onder de opgegeven minimale doorstromingsgrens worden gebruikt zonder een bypass of recirculatieleiding.
Zijn de onderhoudskosten van dubbele spiraalpompen hoger?
De toegankelijkheid voor inspectie kan beperkter zijn vanwege de geometrie van de splitterlip, met name bij het verwijderen van de waaier in radiaal gedeelde behuizingen. De vervangingsintervallen voor lagers en afdichtingen zijn echter doorgaans 50-100% langer dan bij vergelijkbare modellen met één spiraalhuis bij gebruik met variabel debiet, waardoor de iets hogere arbeidskosten per interventie worden gecompenseerd. De totale onderhoudskosten over een levenscyclus van 20 jaar pleiten over het algemeen voor dubbele spiraalbehuizingen bij toepassingen met veelvuldig bedrijf bij deellast.
Conclusie
Kies voor een enkelvoudige spiraalbehuizing wanneer de pomp bij een stabiel debiet binnen ±10% van het BEP werkt en de aanschafkosten de doorslag geven. Kies voor dubbele spiraalbehuizingen wanneer het debiet meer dan ±20% van het ontwerp afwijkt, de pomp parallel met andere pompen werkt, of wanneer de levensduur van de lagers en de betrouwbaarheid van de afdichtingen bepalend zijn voor de totale eigendomskosten. Controleer vóór de inbedrijfstelling of de bedieningsprocedures ervoor zorgen dat elke pomp met een enkele spiraalbehuizing tijdens normaal bedrijf boven 60% van het BEP blijft, en zorg ervoor dat de bewaking van de lagertemperatuur zich ontwikkelende radiale stuwkrachtproblemen opmerkt voordat er schade aan afdichtingen of koppelingen ontstaat.