Meilensteine in der Pumpentechnik

CR-Kreiselpumpen - Maßgeschneidert auf den Einsatzfall

1972 setzt Grundfos eine Vision in eine grundlegend neuartige Lösung um. Die Vision: Geometrisch komplizierte Lauf- und Leiträder in exakt formbare Einzelteile aufzulösen, mit hoher Präzision zu fertigen und zusammenzufügen. Die Lösung: Mehrstufige vertikale Hochdruckpumpen aus Edelstahl statt aus Guss.

Während Pumpen-Hersteller und -Anwender gleichermaßen von den Vorteilen einer Standardisierung profitieren – Stichworte: Großserien-Produktion, niedrigere Investitionskosten, einfache Lagerhaltung, problemloser Austausch von Gleichteilen – möchten viele Betreiber (insbesondere OEM) dennoch nicht auf anwendungsgerechte Varianten verzichten. Denn für spezielle Medien sind smarte Überwachungseinrichtungen, besonders widerstandsfähige Werkstoffe und spezifische Dichtungslösungen unabdingbar. Ungünstige Temperatur/Druck/NPSH-Verhältnisse müssen durch entsprechende konstruktive Maßnahmen kompensiert werden. Obwohl sich ‚Standardisierung‘ und ‚Varianten‘ auf den ersten Blick auszuschließen scheinen, gibt es dennoch eine Lösung: Das Upgrade standardisierter Pumpen mit individuellen Modifikationen. Bei Grundfos ist das mit der Baureihe CR möglich.

CR-Baureihe: Pumpen nach Maß

Die Historie dazu: 1965 ersetzt Grundfos die bisherigen Tiefbrunnen-Kolbenpumpen durch eine gänzlich neuartige Serie von schlanken Unterwasser-Kreiselpumpen aus Chromnickelstahl, die Baureihe SP. Standardwerkstoff war und ist bis heute Edelstahl 1.4301. Der Wettbewerb belächelt zunächst diesen im Pumpenbau bislang ungewohnten Werkstoff – und die Einordnung als ‚Blechpumpe’ soll die Minderwertigkeit gegenüber der schweren Gusspumpe klar machen. Unbeirrt hält das Unternehmen an diesem Werkstoff fest und feiert schon bald grandiose Erfolge: Heute sind mehrstufige Edelstahlpumpen von Grundfos in einer Reihe von Branchen zum Standard gereift (z.B. Eintauchpumpen in der Werkzeugmaschinen-Industrie oder die hier im Fokus stehende Hochdruckpumpe CR beispielsweise in der Wasseraufbereitungstechnik).

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Bildquelle: Grundfos

Neben der Entscheidung für den Werkstoff Edelstahl ist die Segment-Bauweise das entscheidende Merkmal der Grundfos-Pumpentechnik.

Was macht Edelstahl so einzigartig im Pumpenbau? Er ist - weil gegenüber verdünnten Säuren weitgehend unempfindlich - deutlich korrosionsbeständiger als andere Werkstoffe. Diese Beständigkeit gegen Korrosion verdankt Edelstahl einer einfachen chemischen Reaktion: Aufgrund seines Chromgehaltes bildet sich in Verbindung mit dem Sauerstoff der Luft oder von Wasser an der Oberfläche eine hauchdünne, chemisch beständige Passivschicht. Selbst wenn diese durch äußere Einwirkungen beschädigt wird, bildet sie sich aus der Matrix des Edelstahls neu heraus. Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl wird in erster Linie also durch den Chromgehalt (mindestens 12 %) bewirkt, sie lässt sich durch Molybdän, Nickel und andere Legierungsmittel und besonders niedrige Kohlenstoffgehalte weiter steigern. Viele Anwender bestehen heute deshalb von vornherein auf einer Edelstahlpumpe.

Segment- und Modul-Bauweise

Neben der Entscheidung für den Werkstoff Edelstahl ist die Segment-Bauweise das entscheidende Merkmal der Grundfos-Pumpentechnik. Was steckt dahinter? Es ist im Grunde eine recht einfache Idee (wie alle genialen Konzepte sich wohl durch eine gewisse Simplizität auszeichnen): Geometrisch komplizierte Lauf- und Leiträder werden in exakt formbare Einzelteile aufgelöst, mit äußerster Präzision gefertigt und zusammengefügt. Die wichtigsten Vorteile dieses Konzepts:
  1. Es ermöglicht die praktische Umsetzung der theoretisch optimalen Formgebung aller wichtigen hydraulischen Bauteile einer Pumpe.
  2. Es ermöglicht den Einsatz korrosionsresistenter, aber schwer gießbarer Werkstoffe.
  3. Es ermöglicht eine extrem hohe Maßhaltigkeit und Oberlächengüte der Schaufeln.
  4. Im Vergleich zum Gussverfahren ist ein größerer Querschnitt der Strömungskanäle möglich.

 

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Die Segment-Bauweise - geometrisch komplizierte Lauf- und Leiträder werden in exakt formbare Einzelteile aufgelöst, mit äußerster Präzision gefertigt und zusammengefügt. Die heute lasergeschweißten Laufräder erreichen Wirkungsgrade bis 80 %.

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Bildquelle: Grundfos

Die Segmentbauweise erlaubt zudem eine weitgehend automatisierte Fertigung in Großserien – und dies wiederum garantiert die völlig gleich bleibende Präzision aller Teile, und zwar auf besonders rationelle Art. Denn es werden nicht mehr (wie bei Gusspumpen) die einzelnen Werkstücke geprüft; es reicht, die Werkzeuge regelmäßig zu kontrollieren.

Werkzeuge und Maschinen wurden und werden übrigens noch heute zu einem großen Teil bei Grundfos selbst fertigungs- und produktspezifisch entwickelt.

Modulares Varianten-Konzept

‚Standardisierung‘ ist fast immer positiv belegt, suggeriert sie doch niedrige Produktionskosten (wegen der höheren Stückzahlen), geringere Aufwendungen für Ersatzteile (wegen der vielen Gleichteile) und zudem die problemlose Austauschbarkeit, verbunden mit geringeren Lagerhaltungskosten.

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Das modulare Varianten-Konzept ist seit 1972 die Basis von mehrstufigen Hochdruckpumpen der Baureihe CR. Aktuell erreichen diese Pumpen hydraulische Wirkungsgrade von über 80 %; seit 2017 ist ein IE5-Antrieb bis 11 kW verfügbar.

Kein Zweifel: Standards sind auch im Pumpenbau hilfreich und sinnvoll. Die Kehrseite der Standardisierung: Es ist zumeist keine 100prozentig individuelle Auslegung möglich, das Anpassen an die jeweiligen Anlagenbedingungen fällt schwerer, ist auf jeden Fall mit Aufwand verbunden.

Das ist insbesondere für OEM-Anlagenbauer von Bedeutung: Auf der einen Seite erwarten sie die ausgereifte Technik und den günstigen Preis einer Standard-Pumpe; auf der anderen Seite soll die Technik aber natürlich die Randbedingungen der spezifisch geplanten Anlage möglichst optimal abdecken. Und heute kommt eine weitere wichtige Forderung hinzu: Die Pumpen sollen so energieeffizient wie möglich arbeiten und sich im Rahmen von Industrie 4.0 problemlos vernetzen lassen.

Hier bietet die Hochdruckpumpen-Baureihe CR in vielen Fällen bereits eine passende Lösung: Mit heute 13 Baugrößen (Förderstrombereich zwischen 0,3 und 240 m³/h), vier Werkstoffausführungen (Gusseisen, zwei korrosionsbeständige Edelstahlsorten, Titan) und einer Reihe unterschiedlicher Anschluss- und Ausstattungsvarianten steht dem Betreiber das wohl vielfältigste und umfassendste Pumpenprogramm auf dem Markt zur Verfügung. Den Möglichkeiten der Individualisierung (‚Customizing’) sind hier kaum Grenzen gesetzt. Verfügbar sind zudem 50 und 60 Hertz-IEC-Motoren sowie 60 Hertz-Nema-Motoren.

Von großer Bedeutung für die Effizienz dieser Pumpen: Alle Ausführungen besitzen einen hocheffizienten Antrieb und können mit einer Drehzahlregelung per integriertem Frequenzumrichter ausgerüstet werden (CRE). Auch hier hat der Betreiber die Wahl: Sowohl beim klassischen MGE-Asynchronmotor (bis 22 kW – Energieeffizienzklasse IE3) wie auch beim MGE-Permanentmagnet-Synchronmotor (bis 11 kW – Energieeffizienzklasse IE5) ist der FU im Motor integriert. Für höhere Leistungen offeriert das Unternehmen die CUE-Lösung mit einem externen FU im Schaltschrank – optional auch mit IE5 Motoren. Jede dieser Lösungen spart bei wechselndem Förderbedarf Energie und verlängert die Lebenszeit der Pumpe.

Variable Dichtungs-Konzepte

Auf die Wellendichtung ist besonderes Augenmerk zu legen, da in diesem Bereich Fördermedium und Umgebung ‚dynamisch‘ getrennt werden. Aus Pumpenausfall-Analysen geht hervor: Rund 70 % aller Pumpenausfälle basieren auf Schäden an der Gleitringdichtung (15 % bedingt durch zu aggressives Medium, 10 % wegen abrasiver Medien, 15 % aufgrund von Trockenlauf, 10 % durch falschen Einbau, 50 % wegen Verschleiß). Die Lebensdauer und Funktion einer Wellendichtung hängt ausschließlich vom Fördermedium, der Temperatur und dem Druck ab, dem sie ausgesetzt ist. Eine Leckage ist in der Regel die Folge abgenutzter oder zerstörter Dichtungsflächen oder extremer Betriebsbedingungen.

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Bildquelle: Grundfos

Hauptanwendungen der leckagefreien, wellendichtungslosen Permanentmagnetkupp-lung MAGdrive sind industrielle Prozesspumpen zum Fördern aggressiver, umweltschädlicher, gefährlicher oder flüchtiger Flüssigkeiten.

Besonders wichtig, gerade im Hinblick auf die Einsatzmöglichkeiten von Pumpen in der industriellen Verfahrenstechnik, ist deshalb die möglichst breite Verfügbarkeit von Dichtungs-Konzepten:
  • Eine Sperrkammer mit zwei einfach wirkenden Gleitringdichtungen (GLRD) in ‚Back-to-back‘ Anordnung wird für Anwendungen empfohlen, bei denen abrasive, giftige oder andere umweltgefährdende Medien zu fördern sind, die unter keinen Umständen über die GLRD an die Atmosphäre gelangen dürfen.
  • Für Anwendungen, bei denen eine hohe Kristallisationsgefahr des Mediums besteht, empfiehlt sich eine Doppelwellendichtung in Tandem-Anordnung mit Spülkammer (Quench-Dichtung).
  • Für Anwendungen, bei denen besonders hohe Temperaturen von bis zu 180°C auftreten, wurde das luftgekühlte Wellendichtungssystem ‚Air-cooled-Top‘ entwickelt.
  • Hauptanwendungen der leckagefreien, wellendichtungslosen Permanentmagnetkupplung MAGdrive sind industrielle Prozesspumpen zum Fördern aggressiver, umweltschädlicher, gefährlicher oder flüchtiger Flüssigkeiten.

 

Das modulare Design macht sogar ein ‚Customizing‘ in Richtung nach unten möglich. Konkret bedeutet dies, die Pumpen individuell auf Wunsch mit weniger Zubehör / Komponenten auszurüsten; was der Kunde nicht benötigt, entfällt - das reduziert die Komplexität.

Condition Monitor

Der Condition Monitor (GCM) verfolgt den Betriebszustand der überwachten CR-Pumpe und erkennt mögliche Systemfehler wie Lagerschäden, Unwucht oder Wasserschlag und erfasst auch schwer protokollierbare Bedingungen wie Trockenlauf und Kavitation, die bei der Pumpe zu starken Beschädigungen führen können. Der wesentliche Unterschied zu anderen Produkten auf dem Markt besteht darin, dass der GCM präzise die Systemfehler aufzeigt, statt nur Datendiagramme zu liefern; der Betreiber erhält rechtzeitig ein klares Überwachungsergebnis.

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Bildquelle: Grundfos

Der Condition Monitor (GCM) überwacht den Betriebszustand von CR-Pumpen und hilft, Prozessausfälle zu vermeiden.

Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der GCM nicht nur die Vibrationen einer Pumpe nachverfolgt, um Verschleißprobleme in Lagern aufzudecken. Die meisten Pumpenausfälle sind auf Prozessausfälle zurückzuführen. So kann ein Trockenlauf z.B. schnell zu einer Beschädigung der Wellenabdichtung führen. Das Gerät überwacht nicht nur die Funktionstüchtigkeit einer Pumpe, sondern auch sämtliche Faktoren, die zu einer schlechten System- und Pumpenleistung betragen.

Das Herzstück des GCM – ein kleiner intelligenter Sensor – wird an der Ablassschraube in der Motorlaterne montiert. Der Sensor misst eine Vielzahl wichtiger Leistungsdaten über das Erfassen von Vibrationen, Temperatur und Ultraschall. Neben einer Anzeige an der Pumpe selbst kann das Gerät an verschiedene Überwachungssysteme angeschlossen werden. Es verbindet sich drahtlos mit der iSolutions-Cloud und bietet Benutzern die Möglichkeit, die Einstellungen für Fernwarnungen anzupassen und eine Vielzahl von Grundfos-Diensten zu aktivieren. Die Anbindung an BUS-Systeme erfolgt ebenfalls über Standard-Kommunikationsprotokolle.

Der Condition Monitor ist für ungeregelte wie geregelte Pumpen der Baureihe CR verfügbar und kann auch für bereits in Betrieb befindliche Pumpen nachgerüstet werden. Fazit: Unter dem programmatischen Motto ‚Pumpen nach Maß‘ hat dieser Hersteller auf Basis der Hochdruck-Edelstahlpumpen-Baureihe CR ein Varianten-Konzept für Pumpen in den Sekundär-Kreisläufen der chemischen Verfahrenstechnik konzipiert. Über eine Vielzahl von Upgrades sowie intelligente Überwachungseinrichtungen können sehr leistungsfähige, individuelle Lösungen konfiguriert werden. Ein wesentlicher Vorteil für den industriellen Anwender ist die Verwendung von Gleichteilen in Großserien-Qualität. Hinzu kommen die vereinfachte Ersatzteil-Beschaffung und -Bevorratung.

1972 erstmals präsentiert, ist die CR heute für viele Anwender die Pumpe der Wahl: Insbesondere zur Druckerhöhung in Wasseraufbereitungsanlagen (Membrantechnologie) ist die Baureihe CR quasi zum Standard geworden. Das liegt u.a. an der platzsparenden Inline-Bauweise mit gegenüberliegenden Saug- und Druckstutzen gleicher Nennweite; so lassen sich CR-Pumpen selbst in komplexen Anlagen gut integrieren.

2020-04-08
Grundfos GmbH
Schlüterstraße 33
40699 Erkrath

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