Die Geschichte der mehrstufigen Kreiselpumpe

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Das Firmenzeichen von Grundfos ist eine vereinfachte Darstellung der archimedischen Schraube. Die Idee zu diesem Logo entstand, als ein Mitarbeiter in den 1940er Jahren eine gewisse Ähnlichkeit zwischen dem inneren Aufbau einer mehrstufigen CP3-Pumpe und der Archimedes-Schraube feststellte. Mehrstufige Pumpen zählen somit zur DNA von Grundfos.

Fachbeitrag von Dirk Schmitz

Die Konstruktion einer Kreiselpumpe ist im Gegensatz zu meist komplexer aufgebauten Verdrängerpumpen einfach – und damit die Produktion kostengünstig. Zudem liefert die Kreiselpumpe einen weitestgehend gleichmäßigen Förderstrom und kann leicht gedrosselt werden, ohne die Pumpe dadurch zu beschädigen. Das macht Kreiselpumpen erfolgreich, in der Gebäudetechnik sowieso, aber auch in der Wasserwirtschaft und in der Industrie dominiert sie gegenüber Verdrängerpumpen.

Einstufige Kreiselpumpen (also mit nur einem Laufrad) gibt es in vertikaler und horizontaler Bauart; sie bieten im Verhältnis zum Förderstrom nur eine geringe Förderhöhe im Bereich von 2 bis 100 m. Sind große Förderhöhen gefragt, kommen mehrstufige Pumpen zum Einsatz (auch diese sind in vertikaler und horizontaler Bauweise verfügbar): Hier sind auf einer gemeinsamen Welle mehrere Stufen hintereinander gereiht; der Förderstrom wird jeweils vom Austritt der einen Stufe zum Eintritt der nächsten Stufe weitergeleitet. Dabei verringert ein Leitrad die Geschwindigkeit des Wassers und der dynamische Druck wird in statischen Druck gewandelt. Die Gesamtförderhöhe einer mehrstufigen Pumpe entspricht der Summe der Förderhöhen der einzelnen Stufen. Im Verhältnis zum Förderstrom bieten sie eine große Förderhöhe.

Die Leistung einer Kreiselpumpe kann – ohne den Einsatz eines Frequenzumrichters – über drei Parameter verändert werden: Zum einen bei unveränderlicher Laufradgeometrie über die Polzahl des Motors (zumeist 2- bzw. 4polig) und die angelegte Netzfrequenz (50 bzw. 60 Hz – beides definiert eine bestimmte Drehzahl). Zum anderen bei definierter Polzahl des Motors und der angelegten Netzfrequenz über die Laufradgeometrie (im Bestand ist dann noch das Abdrehen des Laufrads eine Option). Parameter Nummer drei: die Anzahl der hintereinander angeordneten Laufräder.

Einstufige Pumpen – aber in Reihe geschaltet

Wer hat die mehrstufige Kreiselpumpe erfunden? Philipp Berdelle-Hilge beschreibt das in seinem Buch ‚Die Geschichte der Pumpe‘. Demnach erkannte der Amerikaner Andrews schon Mitte des 19. Jahrhunderts die Grenzen einstufiger Kreiselpumpen. Es war dann John Gwynne, der sich 1851 mit dem britischen Patent Nummer 13,577 die erste mehrstufige Pumpe ohne Leit-und Rückführschaufeln schützen ließ. Der Mathematiker Reynolds verbesserte diese Pumpe, rüstete sie mit Leit-und Rückführschaufeln aus und erhielt darauf 1875 ein Patent. In der Patentschrift Nummer 13,577 von Gwynne werden die erste mehrstufige und die erste zweiflutige Pumpe beschrieben. Im Übrigen spricht die Patent-Formulierung noch nicht von einer mehrstufigen Pumpe, sondern von der ‚Anwendung von zwei oder mehreren Pumpen kombiniert auf einer Welle‘. Obwohl diese Pumpe nur in Großbritannien geschützt war, ist sie in Deutschland erst gegen Ende des Jahrhunderts – wohl zuerst von Sulzer – gebaut worden. Zu diesem Zeitpunkt war das mehrstufige System in der Literatur also schon länger beschrieben, offenbar ohne von den meisten Pumpenherstellern zur Kenntnis genommen zu werden (denn noch immer wurden höhere Drücke durch das Hintereinanderschalten mehrerer Einzelpumpen bewerkstelligt – oder es wurden Kolbenpumpen eingesetzt).

Es falle auf, so Philipp Berdelle-Hilge, dass die lange Geschichte der Kreiselpumpen von Papin bis Reynolds eine Geschichte der Physiker und Mathematiker, aber auch eine Geschichte der kleinen Schritte war.

Von der Kolbenpumpe zur mehrstufigen CP

Poul Due Jensen, der Unternehmensgründer von Grundfos; in den Händen hält er die Heizungsumwälzpumpe VP32, im Hintergrund und rechts im Bild sind mehrstufige CP-Pumpen in Segment-Bauweise zu sehen.

Während Grundfos noch bis in die 1950er Jahre auf den Bau von Kolbenpumpen fokussiert war, verlangten immer mehr Kunden, dass das Unternehmen auch Kreiselpumpen liefern möge. Nicht etwa, weil an den Kolbenpumpen etwas auszusetzen war – doch beurteilte man den Wirkungsgrad im Vergleich zum Gewicht der Pumpe und zum Materialaufwand, trugen (und tragen bis heute….) Kreiselpumpen den Sieg davon. Mehrstufige Kreiselpumpen ließen sich klein und kompakt gestalten und bestanden hauptsächlich aus einheitlichen, gerundeten und zylindrischen Werkstücken, die sich in größeren Serien rationell herstellen ließen – ab August 1952 wurde die erste mehrstufige Kreiselpumpe, die CP3, produziert. CP-Pumpen schufen die Grundlage zur Massenproduktion, wie in dem Buch ‚Paul Due Jensen – der Mann der Grundfos schuf‘ nachzulesen ist.

Die Segment-Bauweise als technischer Meilenstein

Neben der frühen 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: Geometrisch komplizierte Lauf- und Leiträder werden in exakt formbare Einzelteile aufgelöst, mit äußerster Präzision gefertigt und zusammengefügt. Die wichtigsten Vorteile dieses Konzepts:

  • Es ermöglicht die praktische Umsetzung der theoretisch optimalen Formgebung aller wichtigen hydraulischen Bauteile einer Pumpe.
  • Es ermöglicht den Einsatz korrosionsresistenter, aber schwer gießbarer Werkstoffe.
  • Es ermöglicht eine sehr hohe Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der Schaufeln.
  • Im Vergleich zum Gussverfahren ist ein größerer Querschnitt der Strömungskanäle möglich.
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 %.

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.

Mehrstufig unter die Erde

Auch der genialste Erfinder kann nicht gegen das Naturgesetz angehen, dass es einer traditionellen Kreiselpumpe unmöglich macht, aus größeren Tiefen als rund 10 m Wasser aus einem Brunnen zu fördern (das ist der theoretische Wert – praktisch saugt eine Kreiselpumpe allenfalls bis zu 8 m an). Schon ein Jahr später, also 1953, präsentierte Grundfos sozusagen eine Sonderform der Kreiselpumpe, die diese Aufgabe schafft – die Bohrlochwellenpumpe, die Mitte des Jahres unter der Typenbezeichnung BP auf den Markt gebracht wurde.

Es ist naheliegend, dass die Option ‚mehrstufige Pumpe‘ gerade bei Bohrlochwellenpumpen gewählt wurde: Kleine Laufrad-Durchmesser (die Kosten eines Brunnens hängen u.a. von dessen Durchmesser ab) wurden durch übereinander angeordnete Laufräder kompensiert, um die erforderliche Förderhöhe und den gewünschten Volumenstrom zu erreichen. Bohrlochwellenpumpen gibt es in zwei Ausführungen:

  • als Unterwasserpumpe mit im Brunnenwasser arbeitendem Unterwassermotor und
  • als Bohrlochwellenpumpe mit einem oberirdisch betriebenen Normmotor, der über eine lange Welle mit der Pumpe verbunden ist.

Heute sind die Bohrlochwellenpumpen fast vollständig durch Unterwasserpumpen verdrängt. Die lange Welle der Bohrlochwellenpumpe ist ein Nachteil, da Aufstellung und Service dadurch relativ schwierig und teuer werden. Da die Bohrlochwellenpumpe luftgekühlt ist, wird sie häufig noch in industriellen Anwendungen eingesetzt, um heißes Wasser aus offenen Tanks zu pumpen. Die Unterwasserpumpe kann nicht bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, da der Motor von der Förderflüssigkeit gekühlt wird.

Brunnenpumpen SP

1965 präsentierte Grundfos eine gänzlich neuartige Serie von schlanken Unterwasser-Kreiselpumpen aus Chromnickelstahl: die Baureihe SP. Standardwerkstoff ist Edelstahl 1.4301. Für den Einsatz mit besonders aggressiven Fördermedien stehen die Pumpen auch in Edelstählen weiterer Qualitäten zur Verfügung, z.B. für Seewasser und kontaminierte Flüssigkeiten.

Was SP-Pumpen insbesondere als Brunnenpumpen qualifizieren: Die Lager sind wassergeschmiert und haben eine achteckige Form. Sandkörner haben so kaum eine Chance, sich festzusetzen; sie werden mit dem Wasser ausgeschwemmt. Ein Einlaufsieb verhindert, dass größere Feststoffe in die Pumpe eindringen. Ein Rückschlagventil mit kurzer Schließzeit minimiert das Risiko gefährlicher Wasserschläge.

Die Produkt-Highlights dieser Pumpenbaureihe:

  • Hydraulik mit sehr gutem Wirkungsgrad (hohe Förderleistung, geringe Energiekosten).
  • Hochwertiger Edelstahl (innen und außen) gewährleistet Beständigkeit gegen Abnutzung durch Sand und andere schleifende Materialien sowie auch gegen aggressives Wasser.
  • Schutz gegen Überhitzung des Motors und Schutz gegen Trockenlauf (Anmerkung: Nahezu alle Motorausfälle in Unterwasserpumpen rühren von einer zu hohen Motortemperatur her).
  • Überwachung und Kommunikation über die Steuereinheit CU 3.
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.

Hochdruckpumpen im Druckmantel

Aus salzhaltigem Meerwasser kristallklares Trinkwasser zu gewinnen, das ist mit Hilfe der Umkehrosmose (Reverse Osmosis, RO) Stand der Technik – an Land ebenso wie auf Passagierschiffen. BM-Module von Grundfos bewähren sich in vielen dieser Anlagen.

Es handelt sich dabei um modifizierte und in einem Druckrohr aus Chromnickelstahl gekapselte Unterwasserpumpen. Diese Booster-Pumpen im Druckmantel erzeugen auf kleinstem Raum eine große Energiedichte – ein wesentlicher Vorteil, spielt doch beispielsweise auf Passagierschiffen der verfügbare Raum für die Wirtschaftlichkeit eine wichtige Rolle. BM-Module lassen aufgrund der Kapselung zudem einen Druck bis 80 bar zu. Die Vorteile dieser Konstruktion:

  • BM-Module erlauben eine raumsparende Aufstellung ohne Fundamente.
  • Die Aggregate sind hermetisch dicht und daher weitgehend wartungsfrei.
  • Das BM-Modul ist quasi Teil der Rohrleitung, das Ausrichten von Motor und Pumpe entfällt.
  • BM-Module arbeiten als gekapselte Unterwasserpumpen sehr leise.

Eine neuere Weiterentwicklung, die BMEX-Module, spielen einen zusätzlichen Trumpf aus: Ein solches System kombiniert die gekapselte Hochdruckpumpe mit einem X-Wandler, der die noch vorhandene Restenergie im Umkehrosmose-Konzentrat nach der Membrane nutzt. Diese Technik führt bis zu 60 % der eingesetzten Energie wieder zurück. Den Druckverlust im X-Wandler gleicht eine per Frequenzumrichter gesteuerte Pumpe der Baureihe BME aus. So ist der für die Umkehrosmose erforderliche konstante Druck sichergestellt.

Eintauchpumpen für Kühlschmierstoffe

Bei den so genannten ‚Eintauchpumpen‘ handelt es sich um mehrstufige, vertikale Kreiselpumpen zur Förderung von Kühlschmiermittel für Werkzeugmaschinen sowie für die Kondensatförderung oder ähnliche Anwendungen. Die Pumpen sind für die Montage auf Behältern bestimmt, wobei die Laufradeinheiten in das Fördermedium eintauchen.

Die Pumpen sind in unterschiedlichen Baugrößen und mit verschiedenen Stufenzahlen lieferbar, um einen großen Förderstrom- und Förderdruckbereich abdecken zu können. Durch den Einbau von Leerkammern (Kammern ohne Laufrad) lässt sich die Eintauchtiefe der Pumpen zudem an unterschiedliche Behälterhöhen anpassen.

Optional stehen Pumpenantriebe mit integriertem Frequenzumrichter zur Auswahl, die die Anlageneffizienz und die Flexibilität erhöhen.

Für viele OEM-Kunden bietet bereits das breit gefächerte Standard-Lieferprogramm eine passende Lösung. Wenn aber die Pumpen in speziellen Maschinen, Apparaten oder Anlagen zu integrieren sind, Abmessungen, Fördermedien oder Förderleistungen besondere Anforderungen an Konstruktion, Werkstoff und Ausstattung stellen, entwickelt das Unternehmen gemeinsam mit seinen Kunden höchst individuelle Produkte und Systemlösungen. Auch dafür hat Grundfos in Europa, in Asien und den USA so genannte ‚Machining Industry Business Center’ ins Leben gerufen.

Die Software-Lösung ‚Design Tool Machining Applications‘ unterstützt den Betreiber dabei, das gesamte Zufuhrsystem zu konfigurieren und eine optimale Pumpe für einen definierten Bearbeitungsprozess auszuwählen. Das leistungsfähige Auslegungsprogramm für alle Komponenten der Kühlschmierstoff-Versorgung spart durch deren Optimierung bis zu 60 % Energie- und Kühlschmierstoff-Kosten ein.

Mehrstufige Hochdruckpumpen aus Edelstahl

Ein weiterer Meilenstein war die Entwicklung der mehrstufigen Hochdruckpumpen-Baureihe CR (Grauguss/Edelstahl) bzw. CRN (komplett aus Edelstahl gefertigt). Die Modul-Bauweise ist eine Besonderheit der CR: Der Anwender – die Industrie, Kommunen und OEM-Kunden – kann unter einer Vielzahl von Varianten und Zusatzausrüstungen wählen. Für diverse Medien (korrosiv, abrasiv, hochviskos), hohe Drücke sowie einen breiten Temperaturbereich stehen unterschiedliche Werkstoffe (auch Titan!), spezielle Gleitringdichtungen und auch eine Ausführung mit Magnetkupplung zur Verfügung. Trotz der Standardisierung wichtiger Bauteile ist so eine Pumpenauslegung nach Maß möglich: Durch das Modular-Prinzip können rund eine Million unterschiedliche CR-Varianten hergestellt werden.

Moderne Entwicklungs-Werkzeuge führten bei den aktuellen CR-Pumpen zu erstaunlichen Ergebnissen: Gegenüber der vorherigen Baureihe bieten die neuen Varianten eine Wirkungsgradverbesserung um rund 10 Prozentpunkte – im Durchschnitt liegt der Wirkungsgrad nun bei 80 %. Dies verbessert die Kostensituation vieler Anwender deutlich. Eine weitere Konsequenz dieser Verbesserung ist, dass die erforderliche Zulaufhöhe durch einen niedrigen NPSH-Wert reduziert werden konnte.

Erreicht wurden diese deutlichen Verbesserungen durch eine ganze Reihe von Einzelmaßnahmen – als Beispiel sei die optimale Formgebung durch oben und unten durchgängig lasergeschweißte Laufräder genannt; in höchster Präzision geschweißt, liegen diese Laufräder in Formgebung und produktionstechnischer Ausführung nahe dem theoretischen Optimum.

Vom Asynchron- zum Synchronmotor

Während die Pumpenentwickler über Jahrzehnte hinweg die Hydraulik im Fokus hatten (Laufrad, Leitschaufeln, Gehäuse, Saug- und Druckrohr) sind heute weitere Wirkungsgradgewinne durch Optimierung der Hydraulik sehr aufwändig geworden. Wesentlich an Bedeutung gewonnen haben in Sachen Effizienzsteigerung hingegen die Antriebseinheit, die MSR-Technik und spezifische Software- bzw. Cloud-Lösungen.

Wie sind die Verbesserungen der ‚old technology‘, der Antriebstechnik, in den vergangenen Jahren zu erklären? Es sind drei Entwicklungen zu nennen: Der Einsatz von mehr Material bei der Kupfer-Stator-Wicklung von Asynchronmotoren bzw. von Kupfer auch beim Rotor (das hat natürliche Grenzen hinsichtlich der Kosten und des Gewichts), die Reduktion von Verlusten im Motor (elektrische Widerstände in den Wicklungen, Wirbelströme, mechanische Reibungsverluste im Lager) und nicht zuletzt die Nutzung anderer Motor-Designs (Synchronmotortechnik).

Permanentmagnet-Synchronmotoren benötigen für die Magnetisierung des Rotors keine zusätzliche Energie – temperaturstabile Hochleistungsmagnete sorgen für die permanente Magnetisierung. Durch die hohe Energiedichte des Rotors kann der Kupfer-Stator wesentlich kleiner ausgeführt werden, was die Ressourcen schont.

Seit Januar 2017 liefert Grundfos einen solchen Antrieb in der Leistungsklasse zwischen 0,75 und 11 kW mit der IE5-Klassifizierung aus – es ist dies die weltweit höchste Energieeffizienz-Klassifizierung für Elektromotoren (gemäß IEC 60034-30-2 für drehzahlverstellbare Motoren). Gegenüber einem IE4-Motor wurden die Verluste um weitere 20 % reduziert. Daraus resultieren erheblich verringerte Lebenszykluskosten. IE5 bedeutet ganz konkret, dass sich die Investition in eine damit ausgerüstete Grundfos-Pumpe noch schneller als bisher amortisiert.

Diese Motorisierung gibt es für die mehrstufigen Eintauchpumpen (Baureihen MTR, SPK, MTH, MTA) und für die mehrstufigen Hochdruckpumpen (Baureihe CR).

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

iSolutions Monitor reduziert Betriebskosten um 30 %

Industrie 4.0 bedeutet die umfassende Digitalisierung der industriellen Produktion, insbesondere die komplette Vernetzung aller Produktionskomponenten. Das weitergehende Ziel sollte sein, dass Hersteller und Betreiber die dabei generierten Daten digital sammeln und austauschen. Der Nutzen für den Betreiber: Optimierung der Produktion, u.a. durch eine bessere Prognose über bevorstehende technische Ausfälle.

Siemens und Grundfos arbeiten seit mehr als 20 Jahren bereits zusammen, um gemeinsam mit Kunden individuelle Lösungen für eine optimierte Produktion anbieten zu können. Im Fall von Danish Crown  – ein weltweit aktives Unternehmen der Food-Industrie – haben die beiden Partner für den Kunden eine Lösung zur Vernetzung der Pumpen und deren Antrieb per iSolutions Monitor von Grundfos (ein Echtzeit-Überwachungssystem für die installierten CRE-Pumpen und die umgebende Anlagentechnik) mit einem Prozessleitsystem von Siemens entwickelt (realisiert auf der offenen IoT-Plattform MindSphere). Diese Lösung verbessert die Verfügbarkeit der Pumpen, optimiert deren Performance und führt zu einer höheren Produktivität der Anlage. In Zahlen: Danish Crown konnte seien Stillstandszeiten erheblich reduzieren und spart 30 % seiner Betriebskosten ein.


CR-Pumpen bieten heute bereits sehr hohe Leistungen. Im Jahr 2020 sollen CR-Pumpen mit einem maximalen Volumenstrom bis 355 m³/h verfügbar sein.

Von der Addition einstufiger Aggregate über erste mehrstufige Pumpen im unteren Druckbereich sind mehrstufige Hochdruckpumpen heute praktisch zum Standard in der Wasserwirtschaft und in der Industrie gereift. Grundfos offeriert seine mehrstufigen Hochdruckpumpen der Baureihe CR in Kürze mit einem maximalen Volumenstrom bis 355 m³/h – Giganten im Vergleich zu den in den 1950er Jahren offerierten CP-Pumpen. Und wie das Projektbeispiel ‚Danish Crown‘ zeigt, sind diese Pumpen mit ihren Möglichkeiten zur Vernetzung und Kommunikation in der Welt von Industrie 4.0 voll integriert.

 

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