Minimierung der Total Cost of Ownership bei Pumpen

Die Konstruktion macht´s

10.06.2007 Die Gesamtkosten eines Aggregats oder einer Installation gewinnen auch im Maschinenbau an Bedeutung. Nicht nur die Investitionskosten, sondern auch die Lebenszykluskosten einer Pumpe fließen insgesamt als Total Cost of Ownership (TCO) in die Entscheidung für ein Aggregat ein. Bereits bei der Konstruktion entscheidet sich, mit welchen Gesamtkosten und damit welchen Total Cost of Ownership ein Betreiber rechnen muss.

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Um die künftigen Kosten einer Pumpe durch die Konstruktion zu minimieren, müssen schon in der Entwurfsphase drei wichtige Ziele berücksichtigt werden: Erstens, die Pumpe muss so konstruiert werden, dass sie später möglichst zuverlässig, verschleiß- und wartungsarm arbeiten kann. Damit vermindern sich später beim Betreiber Wartungs- und Ersatzteilkosten aber auch Kosten durch Produktionsausfälle auf Grund von Pumpenstillständen. Zweitens: In der Produktion sollte die Pumpe möglichst klein und leicht zu bauen sein, um die Kosten für den Materialverbrauch und die Installation zu verringern. Drittens müssen die Energiekosten durch einen hohen Wirkungsgrad möglichst niedrig gehalten werden. Diese Ziele führen zu Forderungen an die Konstruktion, die sich teilweise widersprechen. So steigt mit zunehmender Wandstärke beim Pumpengehäuse im Allgemeinen dessen Belastbarkeit – genau so, wie größere Lager tendenziell zu längeren Wartungsintervallen führen. Umgekehrt erhöhen sich damit aber die Anschaffungs- und unter Umständen auch die Installationskosten. Um diese Anforderungen insgesamt für ein Aggregat zu optimieren, nutzt Allweiler bei der Neu- und Weiterentwicklung von Pumpen systematisch die folgenden Werkzeuge und Verfahren:

  • Spannungsanalysen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM),
  • Thermalanalysen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM),
  • Strömungsoptimierung (Computational Fluid Dynamics, CFD),
  • Analysen der Rotordynamik und
  • Analysen der Lagerbelastung.

Aus allen Analysen und Simulationen ergeben sich dann Konstruktionen, die insgesamt mit den geringsten Kosten in Anschaffung und Betrieb arbeiten. Dabei werden mit FEM insbesondere Spannungen, Spannungsspitzen und die daraus resultierenden Belastungen der Bauteile berechnet und geprüft. Grundlage ist das mit dem CAD-System erstellte 3D-Volumenmodell, aus dem mit einem Netzgenerator ein FEM-Modell erzeugt wird.

Längere Lebensdauer durch Spannungsanalyse

Mit Hilfe von oft nicht-linearen Gleichungen lassen sich dann die Spannungszustände an den einzelnen Netz-Knotenpunkten berechnen. Sie entsprechen den Belastungen und deren Verteilung in den Werkstücken. Mit dem Werkzeug lässt sich beispielsweise darstellen, wo sich Spannungsspitzen in der FEM-Analyse ergeben, d.h. wie und wo sich hohe Drücke auf das Gehäuse auswirken. Auf diese Weise lassen sich mit FEM-Analysen zum einen zuverlässige Aussagen über die maximal zulässigen Drücke ermitteln. Zum anderen ist diese Analyse die Grundlage dafür, sehr gezielt einzelne Bauteile an genau definierten Stellen zu optimieren. Mit fünf Prozent mehr Material an den richtigen Stellen konnte beispielsweise die Druckfestigkeit um 60 Prozent erhöht werden. Die „richtigen Stellen“ waren bei diesem Kreiselpumpengehäuse drei weitere Versteifungen. Die Spannungsanalyse mit FEM führt damit zu höherer Betriebssicherheit, größeren Reserven bei Störungen und in der Summe zu einer höheren Lebensdauer und damit zu geringeren Kosten. Der Mehraufwand an Material fällt demgegenüber kaum ins Gewicht.

Wärmebelastung durch Konstruktion senken

Die Wärmeentwicklung in Pumpen wirkt sich in erster Linie auf die Lager und die Dichtungen innerhalb einer Pumpe aus. In beiden Fällen sind daher – neben passenden Werkstoffen insbesondere für die Dichtung – Konstruktionselemente gefordert, die die Wärmebelastung dieser Bauteile möglichst gering halten. Die Thermalanalyse mit FEM liefert hier eine genaue Diagnose. Zudem gestattet sie, die Wirkung verschiedener konstruktiver Änderungen zu simulieren und die Variante auszuwählen, bei der beispielsweise ein Lager am geringsten mit Wärme belastet wird. Es kann dargestellt werden, wie sich der Temperaturverlauf in einer Kreiselpumpe durch die Optimierung nach TCO ändert. Eine offene Pumpenlaterne und eine elastische Kupplung führten dazu, dass die Temperatur am Lager um etwa 30°C sinkt und dass sich die Lebensdauer des Lagers vervierfacht. Die Einsparung bei den TCO beträgt durch längere Serviceintervalle und eine höhere MTBF (Mean Time between Failure) etwa 15 Prozent. Die CFD-Strömungsanalyse erlaubt über Simulationen ein präzises Feintuning der Hydraulik in den Pumpen. Dafür erzeugt ein Netzgenerator eine Abbildung des Strömungsraumes. Die Analyse berechnet den Druck und die Geschwindigkeitsvektoren für jedes Element und visualisiert damit die Strömungsverhältnisse in der Pumpe. Anschließend lassen sich sehr schnell und zuverlässig ungünstige Strömungsverläufe erkennen. Beispiele sind Rezirkulationen im Teillastbereich, starke Verwirbelungen und Strömungsabrisse.

Wirkungsgrad um 11 Prozent gesteigert

Da der Aufbau des Netzes und damit der virtuelle Strömungsraum am Rechner beliebig variierbar ist, lässt sich auch der Effekt von Modifikationen der Gehäusegeometrie schnell erkennen. Nach der Optimierung des Laufrads hatte sich der Wirkungsgrad um 11 Prozent erhöht, das Saugverhalten hatte sich verbessert und die MTBF des Laufrads war um 50 Prozent gestiegen. Die Ursache für die erhebliche MTBF-Erhöhung lag darin, dass der Verschleiß der Eintrittskanten durch die optimierte Form deutlich vermindert wurde. Die Untersuchung der Lagerkräfte bei Kreiselpumpen zeigt die hydraulischen Rückstellkräfte in der Pumpe. Daraus lassen sich wiederum die Belastungskräfte errechnen, die auf die Lager wirken. Sowohl hydraulische Maßnahmen als auch konstruktive Maßnahmen können diese Kräfte reduzieren und damit die Serviceintervalle verlängern. Beispiele für hydraulische Maßnahmen sind Entlastungsbohrungen, Doppelspiralen und Rückenschaufeln. Auf diese Weise vermindern sich die Radialkräfte auf ein Lager um bis zu 90 Prozent. Mit konstruktiven Maßnahmen wie größerem Lagerdurchmesser, Lagern mit höherer Tragzahl und optimierten Hebelverhältnissen werden Lagerlebensdauern erreicht, die bis zum zehnfachen normaler Rillenkugellager betragen. Schwingungen innerhalb einer Strömungspumpe können einerseits den Verschleiß exponentiell erhöhen und andererseits zu Ausfällen und zur Zerstörung der Pumpe führen. Die Untersuchung der Rotordynamik hilft, diese Problematik zu erkennen.

Wirkungsgrad kann durch Optimierung deutlich gesteigert werden

Über ein Rotor-Ersatzmodell werden Eigen- und Biegefrequenzen sowie Resonanzdrehzahlen ermittelt und der zulässige Drehzahlbereich der Pumpe festgelegt. Falls notwendig, ergeben sich aus der Untersuchung der Rotordynamik Änderungen in der Konstruktion, wie etwa veränderte Lagerabstände.

Fazit: Entscheidend für geringe Total Cost of Ownership ist die Betrachtung aller genannten konstruktiven Optimierungsmöglichkeiten in ihren Zusammenhängen und Wechselwirkungen. Pumpen, deren Gehäusestruktur und deren Wandstärken auf die Druckbelastungen abgestimmt sind, deren Wärmeentwicklung gering ist und bei denen hohe Temperaturen von kritischen Bauteilen möglichst ferngehalten werden und deren „innere“ Konstruktion strömungs- und kraftoptimiert sind, werden insgesamt kostensparend arbeiten. Bei Allweiler werden konsequent alle diese Faktoren bei jeder Neuentwicklung berücksichtigt. Zudem ist die Verminderung der TCO ein wichtiges Ziel bei der Weiterentwicklung vorhandener Baureihen.

Heftausgabe: Juni 2007

Über den Autor

Dr.-Ing. Dieter Suttrop , Leiter Konstruktion und Entwicklung, Allweiler AG
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