Wie berechnet man die Förderleistung einer Kolbenpumpe auf einem Schiff?

Hallo, wenn Sie jemals auf einem Schiff waren, wissen Sie, wie wichtig jedes Ausrüstungsteil ist – insbesondere, wenn es darum geht, Flüssigkeiten effizient zu bewegen. Als Lieferant von Kolbenpumpen in Schiffen erhalte ich unzählige Fragen von Decksingenieuren, Chefkameraden und Wartungsteams dazu, wie viel diese Pumpen tatsächlich bewegen können, also wie viel Kapazität sie haben. Es handelt sich nicht nur um eine Zufallszahl aus einem Handbuch; Dahinter steckt solide Wissenschaft, und das Überspringen der Schritte kann zu Kopfschmerzen wie Überlastung, ineffizientem Betrieb oder sogar Pumpenausfall führen. Lassen Sie uns das in einfachen Worten zusammenfassen, ohne ausgefallenen Fachjargon, der Sie zum Schmunzeln bringt.

Stellen wir zunächst sicher, dass wir uns einig sind: Was ist eine Kolbenpumpe auf einem Schiff? Im Gegensatz zu Kreiselpumpen, die Flüssigkeiten herumwirbeln, bewegen diese Pumpen einen Kolben (oder Plunger) in einem Zylinder hin und her. Wenn sich der Kolben zurückzieht, entsteht ein Vakuum, das Flüssigkeit ansaugt; Wenn es nach vorne drückt, drückt es die Flüssigkeit heraus. Es handelt sich um ein einfaches Design, eignet sich aber perfekt für schiffsspezifische Aufgaben – wie das Umfüllen von Treibstoff, das Pumpen von Ballastwasser oder den Umgang mit Hochdruckmaterial zum Reinigen oder Kühlen. Einige fördern sogar kryogene Flüssigkeiten. Wenn Sie dies benötigen, sollten Sie sich die Seite „Kryogene Kolbenpumpen“ auf unserer Website für spezielle Details ansehen.

Nun ist die Kapazität im Wesentlichen das Flüssigkeitsvolumen, das die Pumpe pro Zeiteinheit bewegen kann – normalerweise Gallonen pro Minute (GPM) oder Kubikmeter pro Stunde (m³/h), je nachdem, welches System Sie an Bord verwenden. Der Schlüssel hier ist, dass es nicht nur um die Zylindergröße geht; Es gibt noch ein paar andere Faktoren, die von den Schiffsbedingungen abhängen. Beginnen wir mit der Kernformel und passen uns dann an die Schiffsvibrationen in der realen Welt an.

Die grundlegende theoretische Kapazität (nennen wir sie Qt) wird anhand der Fläche des Kolbens, der Länge des Hubs (wie weit sich der Kolben hinein- und herausbewegt) und der Anzahl der Hübe pro Minute berechnet. Die Formel sieht so aus: Qt = A × L × N, wobei:

• A = Fläche des Kolbens (π × r², wobei r der Radius ist, einfach genug)
• L = Hublänge (in Fuß oder Metern, achten Sie nur auf die Einheiten!)
• N = Schläge pro Minute (SPM)

Warten Sie mal – die meisten Kolbenpumpen auf Schiffen sind einfachwirkend oder doppeltwirkend? Bei einfach wirkenden Kolben bewegt sich die Flüssigkeit nur auf einer Seite des Kolbens, daher funktioniert die obige Formel unverändert. Doppeltwirkende Pumpen bewegen Flüssigkeit auf beiden Seiten, daher müssen Sie die Fläche der Kolbenstange subtrahieren (da diese Stange auf einer Seite Platz einnimmt und so das Volumen verringert) und für beide Seiten mit 2 multiplizieren. Das ist ein großer Unterschied – wenn Sie die einfachwirkende Formel für eine doppeltwirkende Pumpe verwenden, werden Sie die Kapazität deutlich unterschätzen, und das ist ein Problem, wenn Sie damit rechnen, 500 GPM Ballast zu bewegen.

Aber hier ist die Sache: Das ist theoretische Kapazität. In der realen Schiffswelt erreicht man diese Zahl nie genau. Es gibt einen sogenannten volumetrischen Wirkungsgrad (ηv), der äußerst wichtig ist. Der volumetrische Wirkungsgrad ist das Verhältnis der tatsächlichen Kapazität (Qa, was die Pumpe wirklich bewegt) zur theoretischen Kapazität (Qt). Warum sind es weniger als 100 %? Ein paar Gründe:

1. Leckage: Flüssigkeit rutscht an Kolbenringen, Ventilen oder Dichtungen vorbei. Auf einem schwankenden Schiff kann diese Leckage etwas höher sein, da die Pumpe nicht perfekt eben sitzt.
2. Kompressibilität: Wenn Sie eine Flüssigkeit pumpen, die etwas Gas enthält (z. B. Kraftstoff mit Lufteinschlüssen) oder sogar eine Hochdruckflüssigkeit (sehen Sie sich hierzu die Spezifikationen der Hochdruck-Kolbenpumpe an), muss der Kolben das Gas komprimieren, bevor er die Flüssigkeit herausdrücken kann, sodass Sie nicht bei jedem Hub das volle Volumen erhalten.
3. Ventilverzögerung: Die Einlass- und Auslassventile öffnen und schließen nicht sofort – es gibt eine kleine Verzögerung, sodass Ihnen bei jedem Hub etwas Flüssigkeit entgeht.

Auf Schiffen liegt der volumetrische Wirkungsgrad normalerweise zwischen 85 % und 95 %, abhängig vom Pumpentyp und der Wartungsqualität. Bei alten Pumpen mit verschlissenen Ringen kann der Wert auf 75 % oder weniger sinken. Wenn Ihre Pumpe also schon ein paar Jahre alt ist, verlassen Sie sich nicht auf die ursprüngliche theoretische Zahl, sondern berechnen Sie sie mit dem aktuellen Wirkungsgrad.

Lassen Sie uns nun schiffsspezifische Variablen einbeziehen, die Sie bei einer Pumpenberechnung an Land nicht sehen werden. Zuerst rollen und werfen. Wenn ein Schiff schaukelt, ändert sich die Ausrichtung der Pumpe leicht. Wenn die Pumpe so montiert ist, dass der Kolbenhub entlang der Schiffsrollachse verläuft, kann sich dies darauf auswirken, wie viel Flüssigkeit während des Saughubs angesaugt wird. Wenn beispielsweise die Saugleitung beim Neigen des Schiffs etwas hoch oder niedrig ist, kann es zu einem vorübergehenden Abfall des Saugdrucks kommen, der zu Verdampfung (Kavitation genannt) führen und die Kapazität noch weiter reduzieren kann. Bei der Berechnung müssen Sie also die auf dem Schiff verfügbare Netto-Positivsaughöhe (NPSHA) berücksichtigen – stellen Sie sicher, dass sie höher ist als die von Ihrer Pumpe benötigte Netto-Positivsaughöhe (NPSHR). Wenn NPSHA zu niedrig ist, wird Ihre Kapazität durch Kavitation beeinträchtigt und die Pumpe wird mit der Zeit beschädigt.

Ein weiterer schiffsspezifischer Faktor: Flüssigkeitseigenschaften. Wenn Sie Schweröl (HFO) pumpen, ist es viel viskoser als Wasser. Viskose Flüssigkeiten fließen langsamer, daher dauert es länger, den Zylinder während des Saughubs zu füllen. Das bedeutet, dass Sie bei höheren Drehzahlen möglicherweise nicht das volle Volumen erreichen – Ihre tatsächliche Kapazität sinkt, weil die Pumpe vor dem nächsten Hub nicht genügend Flüssigkeit ansaugen kann. Bei Wasser könnten Sie bei 100 SPM einen Wirkungsgrad von 95 % erreichen, bei HFO könnte er jedoch bei demselben SPM auf 80 % sinken. Sie können also nicht für alle Flüssigkeiten an Bord dieselbe Effizienzzahl verwenden.

Lassen Sie uns ein kurzes Beispiel durchgehen, um dies konkret zu machen, so wie es ein Chefingenieur tatsächlich auf einem Frachtschiff tun würde. Angenommen, wir haben eine doppeltwirkende Kolbenpumpe für Ballastwasser:

• Kolbendurchmesser: 8 Zoll (der Radius beträgt also 4 Zoll, Fläche A = π × 4² = ~50,27 Quadratzoll)
• Durchmesser der Kolbenstange: 1,5 Zoll (Fläche der Stange = π × (0,75)² = ~1,77 Quadratzoll)
• Hublänge: 12 Zoll
• SPM: 60
• Volumetrischer Wirkungsgrad: 90 % (für sauberes Ballastwasser, gut gewartete Pumpe)

Berechnen Sie zunächst die theoretische Kapazität für doppeltwirkend: Qt = 2 × (A – A_Stab) × L × SPM. Einsetzen der Zahlen: 2 × (50,27 – 1,77) × 12 × 60 = 2 × 48,5 × 12 × 60 = 70.080 Kubikzoll pro Minute. Rechnen Sie das nun in GPM um (da Ballastsysteme das verwenden): 1 Gallone = 231 Kubikzoll, also 70.080 / 231 = ~303,4 GPM (theoretisch). Nun beträgt die tatsächliche Kapazität Qa = Qt × ηv = 303,4 × 0,9 = ~273 GPM. Das macht bei einer Ballastpumpe Sinn. Wenn es sich um eine einfachwirkende Pumpe handeln würde, wäre Qt 50,27 × 12 × 60 = 36.194 Kubikzoll pro Minute, was theoretisch ~156,7 GPM entspricht, tatsächlich wären es also ~141 GPM – die Hälfte der doppeltwirkenden Zahl, Sie möchten also unbedingt wissen, mit welchem ​​Typ Sie arbeiten.

Moment, was ist, wenn Sie metrische Einheiten verwenden? Dieselbe Logik, verwenden Sie einfach Zentimeter und Meter anstelle von Zoll. Die Kolbenfläche wird in Quadratzentimeter angegeben, der Hub in cm, SPM ist immer noch Hübe pro Minute und der volumetrische Wirkungsgrad ist das gleiche Verhältnis. Einfach.

Warum ist das alles für Sie, die Schiffsbesatzung, wichtig? Wenn Sie die Kapazität falsch einschätzen, könnte es sein, dass die Pumpe zu klein ist – der Ballasttransport dauert also doppelt so lange, was zu Verzögerungen im Hafenbetrieb führt, oder Sie bekommen beim Bunkern nicht genügend Heizöl, was ein Sicherheitsrisiko darstellt. Oder wenn es zu groß ist, verschwenden Sie Kraftstoff durch den Betrieb einer Pumpe, die viel mehr bewegen kann, als Sie benötigen, was zu höheren Betriebskosten führt. Wenn Sie auf älteren Schiffen eine Kolbenpumpe austauschen, müssen Sie außerdem die Kapazität genau anpassen, um das Rohrleitungssystem funktionsfähig zu halten – ist sie zu groß, kommt es zu Druckspitzen, die Schläuche oder Ventile beschädigen.

Als jemand, der sich seit Jahren mit Kolbenpumpen in Schiffen beschäftigt, habe ich gesehen, wie Leute den Schritt der volumetrischen Effizienz übersprungen haben und sich dann gefragt haben, warum ihre Pumpe bei rauer See nicht mithalten kann. Ich habe einmal mit einem Ersten Offizier auf einem Containerschiff zusammengearbeitet, der glaubte, seine 500-GPM-Pumpe sei kaputt, weil sie bei einem Sturm nur 420 GPM bewegte – es stellte sich heraus, dass er theoretische Kapazität anstelle der tatsächlichen Effizienz nutzte, und die Schiffsbewegung führte zu einer kleinen zusätzlichen Leckage. Nachdem wir die Berechnung angepasst hatten, um den Wirkungsgrad von 85 % (geringer aufgrund der rauen See) einzubeziehen und die 5 % zusätzliche Leckage zu berücksichtigen, stimmte alles. Deshalb geht es nicht nur um Mathematik, sondern darum, zu verstehen, wie die Schiffsumgebung die Zahlen verändert.

Beachten Sie außerdem: Kolbenpumpen haben eine Nennkapazität, die normalerweise vom Hersteller angegeben wird, aber unter idealen Bedingungen. Wenn Sie unter tatsächlichen Schiffsbedingungen arbeiten – andere Flüssigkeiten, unterschiedlicher Seegang, verschlissene Teile – müssen Sie diesen Nennwert anpassen. Wenn Sie mit aggressiven Chemikalien oder kryogenen Flüssigkeiten zu tun haben, finden Sie auf unserer Seite zu kryogenen Kolbenpumpen Spezifikationen, die diese besonderen Bedingungen berücksichtigen, da normale Pumpen kalte Temperaturen oder aggressive Flüssigkeiten nicht ohne Leistungseinbußen bewältigen können. Auch Hochdruckanwendungen, wie das Pumpen von Wasser zur Kesselspeisung, haben ihre eigenen Formeln, da der Druck Einfluss darauf hat, wie die Ventile funktionieren und wie viel Flüssigkeit die Pumpe bewegen kann.

Lassen Sie uns die wichtigsten Schritte zur Berechnung der Kapazität auf einem Schiff zusammenfassen, damit Sie nicht mitten im Vorgang einen manuellen Vorgang durchgehen müssen:

1. Bestätigen Sie Ihren Pumpentyp: einfachwirkend oder doppeltwirkend. Dadurch ändert sich die theoretische Kapazitätsformel erheblich.
2. Holen Sie sich die wichtigsten Spezifikationen: Kolbendurchmesser, Hublänge, SPM, Kolbenstangendurchmesser (für doppeltwirkend).
3. Berechnen Sie die theoretische Kapazität mithilfe der richtigen Formel für Ihren Pumpentyp.
4. Finden Sie Ihren volumetrischen Wirkungsgrad: 85–95 % für gut gewartete Pumpen mit sauberen Flüssigkeiten, niedriger, wenn Ihre Pumpe alt ist oder viskose/gashaltige Flüssigkeiten fördert, plus Anpassung an den Seegang (raue See = etwas geringerer Wirkungsgrad).
5. Berücksichtigen Sie NPSHA: Stellen Sie sicher, dass der Saugdruck ausreicht, um Kavitation zu vermeiden, die schnell die Kapazität zerstört.
6. Überprüfen Sie die Flüssigkeitsviskosität: Dicke Flüssigkeiten bedeuten eine langsamere Ansaugung und damit eine geringere Effizienz bei höheren SPM.

Und hey, wenn Sie sich bei irgendetwas davon nicht sicher sind – egal, ob Sie eine neue Pumpe spezifizieren, eine alte ersetzen oder eine langsame Pumpe beheben möchten – sind wir hier, um Ihnen zu helfen. Wir sind auf den Aufbau von Kolbenpumpen in Schiffen spezialisiert, sodass wir Sie durch die genauen Berechnungen für Ihr spezifisches System führen oder Ihnen bei der Auswahl einer Pumpe helfen können, die Ihren Kapazitätsanforderungen perfekt entspricht. Keine Vermutungen, sondern nur solide Zahlen, die auf den Schiffsbetrieb zugeschnitten sind.

Nur um es klarzustellen: Dies ist keine Einheitslösung. Der Pumpenraum jedes Schiffs ist ein wenig anders, jede Flüssigkeit hat einzigartige Eigenschaften und die Meeresbedingungen variieren. Wenn Sie sich daher die Zeit nehmen, diese Schritte auszuführen (anstatt sich nur an der Herstellerbewertung zu orientieren), ersparen Sie sich spätere Kopfschmerzen. Ich mache das schon lange genug, um zu wissen, dass eine kleine zusätzliche Berechnung jetzt besser ist als eine Verspätung im Hafen oder eine kaputte Pumpe um 2 Uhr morgens mitten im Meer.

Referenzen

1. US-Seeschifffahrtsbehörde. (2018).Schiffshilfsmaschinen: Pumpen und Pumpsysteme. US-Verkehrsministerium.
2. Karassik, I. J., et al. (2014).Pumpenhandbuch(5. Aufl.). McGraw-Hill-Ausbildung.
3. Amerikanisches Schifffahrtsbüro. (2021).Regeln für den Bau und die Klassifizierung von Stahlbehältern: Kapitel 3 – Maschineninstallationen. ABS-Gruppe.