Das Passungsspiel zwischen Rotor und Drehschiebern: Zusammenhang zwischen Spiel, Saugvermögen und Lebensdauer

An einer Drehschieberpumpe gibt es drei Passungsspiele, die alle „Spiel“ heißen, aber völlig unterschiedliche Aufgaben haben: Das Seitenspiel zwischen Drehschieber und Rotornut entscheidet, ob sich der Drehschieber frei ausfahren lässt und ob er in der Nut klemmt; das Kopfspiel zwischen Drehschieberspitze und Pumpenkammer sowie das Axialspiel zwischen Rotorstimfläche und Enddeckel sind dagegen die Wege, über die Gas aus der Hochdruckkammer in die Niederdruckkammer zurückströmt. Es ist nicht zutreffend, einen Rückgang des Saugvermögens vor Ort pauschal dem Spiel zuzuschreiben – im Grobvakuumbereich bei 500 mbar kostet ein Axialspiel von 40 µm nur etwas mehr als ein Prozent des Saugvermögens; unterhalb von 1 mbar kann dasselbe Spiel den Enddruck um eine Größenordnung anheben. Dieser Beitrag trennt die drei Spiele, erläutert anhand von drei Rechenbeispielen, in welchem Druckbereich sie jeweils wirken, und warum sich Lebensdauerprobleme letztlich immer als „größeres Spiel“ zeigen.

1. Drei Spiele: Position, Größenordnung und Folgen

Die Größenordnungen in der Tabelle sind Referenzbereiche gängiger Modelle und keine Zeichnungswerte für eine bestimmte Pumpe. Die tatsächlichen Werte müssen modellbezogen gemessen werden, und zwar im warmen Zustand – Abschnitt 4 erläutert die Gründe.

2. Rechenbeispiel 1: Das Totraumvolumen bestimmt die 90–100-mbar-Grenze einstufiger ölfreier Pumpen

Das Nennvakuum einstufiger ölfreier Drehschieberpumpen liegt meist bei 90–150 mbar; bei DPL-V15L und DPL-V25L sind es 90 mbar, bei DPL-V8, DPL-V10 und DPL-V16 100 mbar. Dieser Wert wird häufig fälschlich als „das Spiel ist nicht sauber gefertigt“ gedeutet; tatsächlich ist das Totraumvolumen der dominierende Faktor: Im Moment des Endes der Ausschiebephase wird das im Totraum verbleibende Gas bei 1 Atmosphäre eingeschlossen; während sich der Rotor weiterdreht, expandiert es zunächst und beginnt erst mit dem Ansaugen, nachdem es unter den Eintrittsdruck expandiert ist.

Bei Abschätzung über isotherme Expansion gilt für den Zusammenhang zwischen Enddruck und Totraumverhältnis:

p_u = p_exh × V_c / (V_c + V_cyc)

p_exh wird mit 1013 mbar angesetzt, V_c ist das Totraumvolumen, V_cyc das Ansaugvolumen pro Umdrehung. Rückgerechnetes Totraumverhältnis:

Die drei rückgerechneten Werte liegen zwischen 10% und 17% und passen zur Geometrie von Drehschieberpumpen: Das kleine Volumen in der Nähe von Auslass und Totpunkt erreicht bereits diese Größenordnung. Das zeigt zugleich, dass einstufige ölfreie Pumpen für niedrigere Drücke nicht über „das Spiel nochmals um 5 µm kleiner schleifen“ weiterkommen, sondern über eine Verringerung des Totraums oder eine zweistufige Ausführung.

Wendet man dasselbe Modell auf eine einstufige ölgedichtete Pumpe an, ergeben sich unsinnige Werte: Der Enddruck von V0040A bis V0100 beträgt 0.1 mbar (Produktseite V0025A–V0100), das rückgerechnete Totraumverhältnis wäre nur 0.01%, was geometrisch nicht realisierbar ist. Der Grund ist, dass sich im Spiel ölgedichteter Pumpen ein Ölfilm befindet, ein Teil des komprimierten Gases im Öl gelöst wird und das Totvolumen der Auslassventilplättchen sehr klein gehalten werden kann. Der Enddruck von 0.1 mbar bei ölgedichteten Pumpen wird nicht allein durch geometrische Genauigkeit erreicht.

3. Rechenbeispiel 2: Dasselbe Spiel hat im Grobvakuum- und im Enddruckbereich völlig unterschiedliches Gewicht

Wird das Axialspiel als enger Spalt betrachtet, lässt sich der Leitwert bei viskoser Strömung mit der Formel für einen rechteckigen Spalt abschätzen:

C = b · h³ / (12 η L) Q = C · (p₂² − p₁²) / 2 ΔS = Q / p₁

b ist die Breite der Dichtfläche (angenommen 45 mm), L die Dichtlänge in Drehrichtung (angenommen 45 mm), h das Axialspiel, η die Luftviskosität bei 20 ℃ mit 1.85×10⁻⁵ Pa·s, p₂ wird mit 1013 mbar angesetzt. Eine Pumpe hat zwei Drehschieber mit jeweils zwei Stirnflächen; gerechnet wird mit 4 parallelen Pfaden.

Betrachten wir zunächst den Arbeitsbereich bei 500 mbar (p₁ = 50 000 Pa): Bei h = 40 µm beträgt die auf den Eintritt zurückgeführte Rückströmung eines einzelnen Pfads etwa 0.08 m³/h, für 4 Pfade zusammen etwa 0.32 m³/h, was 1.3% des Saugvermögens der V25L von 25 m³/h entspricht. Bei h = 10 µm liegt dieser Anteil bei 0.02% und ist nicht messbar.

Betrachten wir nun den Enddruckbereich (p₁ gegen 0, p₂ weiterhin 1 Atmosphäre): Der pV-Rückströmungsfluss ändert sich nahezu nicht mehr mit p₁; dividiert durch das Saugvermögen der Pumpe ergibt er die untere Grenze des durch das Spiel zulässigen Enddrucks:

Diese Tabelle erklärt eine häufige Störung: Eine einstufige ölgedichtete Pumpe mit 0.1 mbar im Datenblatt bleibt nach einigen Betriebsjahren bei einem Endvakuum von 1–2 mbar stehen, obwohl Saugleitung und Öl bereits gewechselt wurden. Wenn das Axialspiel auf 40 µm verschlissen ist, ist rechnerisch nur noch diese Größenordnung erreichbar. Zu beachten ist die kubische Abhängigkeit von h: Von 10 µm auf 20 µm steigt der Leitwert um das 8-Fache; bei einer weiteren Verdopplung auf 40 µm steigt er erneut um das 8-Fache.

Zudem ist der Gültigkeitsbereich zu nennen: Bei 500 mbar beträgt die mittlere freie Weglänge des Gases etwa 0.13 µm; verglichen mit einem Axialspiel von 10 µm ergibt sich eine Knudsen-Zahl von etwa 0.013, was nahe an der Untergrenze der viskosen Strömung liegt, sodass die obige Formel verwendbar ist. Fällt der Druck unter einige mbar, geht sie in den Bereich der Übergangs- und Molekularströmung über; der Leitwert ändert sich dann nicht mehr mit dem Druck, und der pV-Rückströmungsfluss strebt einem konstanten Wert zu. Das erklärt genau ein weiteres Phänomen: Nach Spielverschleiß verschlechtert sich der Enddruck zuerst, während beim Saugvermögen im Grobvakuumbereich nahezu keine Veränderung zu erkennen ist.

4. Rechenbeispiel 3: Wärmeausdehnung verteilt das kalte Spiel neu

Das im kalten Zustand montierte Spiel ist nicht gleich dem Betriebsspiel. Beispiel: Rotorlänge 100 mm (Gusseisen, α = 11.5×10⁻⁶/K, Temperaturanstieg 50 K), Enddeckel und Pumpengehäuse mit gleicher Länge (Aluminiumguss, α = 23.5×10⁻⁶/K, Temperaturanstieg 35 K):

• Rotorverlängerung: 100 mm × 11.5×10⁻⁶ × 50 = 57.5 µm
• Verlängerung des Pumpengehäuses: 100 mm × 23.5×10⁻⁶ × 35 = 82.3 µm
• Änderung des Axialspiels: 82.3 − 57.5 = +24.8 µm

Aluminiumteile dehnen sich stärker aus als Eisenteile; das Axialspiel im warmen Zustand ist etwa 25 µm größer als im kalten Zustand. Da die Leckage mit h³ eingeht, entspricht das einer dreifachen Rückströmung im warmen Zustand gegenüber dem kalten Zustand. Auch das Kopfspiel verändert sich: Bei einem Zylinderdurchmesser von 80 mm aus Gusseisen und einem Temperaturanstieg von 40 K wächst der Innendurchmesser um 36.8 µm, während ein Drehschieber aus Graphit oder Harz (α etwa 4×10⁻⁶/K) bei einem Temperaturanstieg von 60 K nur um 19.2 µm länger wird; das einseitige Kopfspiel wird dadurch um weitere 8.8 µm größer, sodass aus einem kalten Kopfspiel von 20 µm im warmen Zustand 28.8 µm werden.

Daraus ergeben sich zwei praktische Schlussfolgerungen: Das kalte Spiel ist nicht grundsätzlich zu verkleinern; ein zu kleines Spiel erhöht das Anlaufdrehmoment und das Risiko trockener Reibung. Ob eine Pumpe überholt werden muss, ist anhand des Spiels nach 2 Stunden Lauf im warmen Zustand und des dann erreichten Enddrucks zu beurteilen, nicht anhand des Kaltwerts im Montageprotokoll. Dass der Enddruck einer warmen Pumpe etwas schlechter ist als der einer kalten, hat hier seine Ursache.

5. Lebensdauer: Wie ein größeres Spiel zum Abfall des Saugvermögens wird

Der Verschleiß selbst verläuft allmählich; vor Ort messbar sind drei Stufen: In der ersten Stufe steigt der Enddruck (die Rückströmung über Kopf- und Axialspiel gewinnt im Niederdruckbereich an Gewicht), in der zweiten Stufe sinkt das Saugvermögen im Mittelvekuum, und erst in der dritten Stufe werden Geräusch und Vibration schlechter. Nach der Tabelle in Abschnitt 3 steigt bei einem Axialspiel von 10 µm auf 40 µm der Enddruck von der Größenordnung 0.03 mbar auf die Größenordnung 2.1 mbar; derselbe Verschleiß lässt das Saugvermögen im Mittelvekuum nur um einige Prozentpunkte sinken. Deshalb darf „das Saugvermögen ist noch in Ordnung“ nicht mit „das Spiel ist in Ordnung“ gleichgesetzt werden.

Ob ein Drehschieber ersetzt werden muss, lässt sich an fünf messbaren Signalen beurteilen (Anteil des Saugvermögensabfalls, Enddruck, Ölschauglas, Geräuschspektrum, Breite der Verschleißspur an der Stirnfläche); dies wurde in Wie lässt sich Verschleiß an Drehschiebern beurteilen? beschrieben. Die Reihenfolge der Fehlersuche – zuerst das effektive Saugvermögen messen, dann die Pumpe zerlegen – findet sich in Vorgehen bei der Fehlersuche zum Saugvermögensabfall. Hier sei nur eines ergänzt: Unter Staubbedingungen verschleißt das Kopfspiel schneller; ist die Ansaugfilterung passend ausgelegt, ist der Unterschied bei der Lebensdauer der Drehschieber größer als der Unterschied der Ölwechselintervalle.

6. Ölgedichtet und ölfrei: Wie viel übernimmt der Ölfilm vom Spiel?

Bei ölgedichteten Pumpen übernimmt der Ölfilm das Axialspiel: Der Ölfilm füllt mikrometergroße Spalte und senkt den viskosen Leitwert um mehrere Größenordnungen; deshalb erreicht eine einstufige ölgedichtete Pumpe 0.1 mbar und eine zweistufige DPL-2V18 1×10⁻³ mbar. Ölfreie Pumpen haben diesen Ölfilm nicht; Axial- und Kopfspiel hängen allein von der geometrischen Genauigkeit und der Selbstschmierung des Drehschiebermaterials ab. Daher bleibt das Endvakuum bei 90–150 mbar, und solche Pumpen sind gegenüber Staub und trockener Reibung empfindlicher. Die Spieltoleranzen beider Pumpenarten lassen sich nicht gegenseitig übertragen: Überträgt man das bei ölgedichteten Pumpen zulässige Axialspiel auf eine ölfreie Pumpe, verbraucht die Rückströmung den gesamten Enddruckbereich; überträgt man die Toleranz der ölfreien Pumpe auf eine ölgedichtete Pumpe, ist die Ölfilmbelastung zu gering, und die Stirnflächen können Riefen bekommen.

7. Drei Hinweise für die Praxis

1. Nach einer Überholung zuerst die Kaltwerte der drei Spiele dokumentieren, nach 2 Stunden Betrieb erneut die Warmwerte messen und für die Beurteilung die Warmwerte verwenden.
2. Das Axialspiel nicht mit dickeren Distanzscheiben „ausgleichen“ wollen: Distanzscheiben verändern zugleich das Totraumvolumen und den Ausfahrweg des Drehschiebers; Saugvermögen und Enddruck verändern sich gemeinsam. Richtig ist, die Stirnflächen anhand der Wärmeausdehnung passend nachzuschleifen.
3. Bei sinkendem Saugvermögen zuerst anhand des effektiven Saugvermögens die Fehlersuche durchführen und erst danach die Pumpe zerlegen; vor dem Zerlegen Ansaugfilter und Leitwert der Rohrleitung ausschließen.

Für Lieferungen in Regionen mit 60 Hz ist eine gesonderte Abstimmung erforderlich: Bei höherer Drehzahl sind die Temperaturen im warmen Zustand höher; die Warmwerte von Axial- und Kopfspiel unterscheiden sich von denen bei 50 Hz, und bei ölgedichteten Pumpen ist auch die Öltemperatur höher. In den technischen Daten ist angegeben, dass einige Modelle für Regionen mit 60 Hz nicht geeignet sind; die entsprechende Ausführung ist vor der Bestellung mit dem Werk abzustimmen.

Weiterführende Literatur

• Ansaugfilterung für Vakuumpumpen: Auslegung unter Staubbedingungen
• Checkliste für Installation und erste Inbetriebnahme von Vakuumpumpen
• Geräusch und Vibration von Vakuumpumpen: Kontrolle beginnt bei der Installation
• Häufig gestellte Fragen zu Vakuumpumpen
• Vakuumpumpenaggregate (Komplettkonfigurationen)
• Auswahlrechner (Evakuierungszeit und Einheitenumrechnung)