Ziel erreicht

Oberstes Ziel bei der Entwicklung einer neuen Chemienormpumpe war es für das Team rund um Dr.-Ing. Jochen Fritz, Leiter der Hydraulik und Strukturmechanik bei KSB, den Wirkungsgrad wesentlich gegenüber den Vorgängermodellen zu verbessern. „Die Hydraulik der Mega-Pumpe, die als Basis für die neue Pumpe diente, zeichnet sich jedoch bereits durch sehr hohe Wirkungsgrade aus“, beschreibt Dr. Fritz die Herausforderung. „Diese noch einmal signifikant zu verbessern, war keine leichte Aufgabe.“ Die Lösung lag in der genauen hydraulischen Analyse der bisherigen Baureihe. Dafür wurden von der vorhandenen Baureihe 15 repräsentative Größen selektiert, die bereits einen sehr hohen Wirkungsgrad besaßen. Von diesen Pumpen wurde die Hydraulik quasi noch einmal auf Herz und Nieren überprüft und jedes kleinste strömungstechnische Detail analysiert. Zwar gilt das Experiment nach wie vor als zuverlässigste Methode, einen realen Strömungsvorgang zu erfassen. Nachteilig an experimentellen Untersuchungen ist, dass sie aufwendig, teuer und bei komplexen Strukturen oder extremen Randbedingungen gar nicht möglich sind. Daher nutzte das Team moderne Werkzeuge wie das Computational Fluid Dynamics (CFD). Aus den computergestützten Simulationsverfahren lassen sich detaillierte Kenntnisse über die komplexen Strömungsvorgänge in der Pumpe gewinnen, beispielsweise in puncto ihres Wirkungsgrades, ihrer Kennlinienstabilität über einen großen Einsatzbereich und bezüglich eventueller Schwingungserscheinungen.

Ausgangspunkt für das computergestützte Simulationsverfahren bildet die dreidimensionale Geometrie der Pumpe. Dafür galt es, zunächst die Rohdaten zu beschaffen und für die CFD-Analyse vorzubereiten. Da die Ursprünge der Baureihe bis in die 80er-Jahre reichen, lagen die Daten teilweise nur auf dem Papier vor. Zur Vorbereitung der Strömungssimulation muss die strömungsführende Kontur zunächst digitalisiert, das heißt mithilfe eines CAD-Systems aufbereitet werden. Daraus lässt sich ein Volumenmodell aus Freiformflächen erstellen – das sogenannte nasse Volumen. Um die für die numerische Simulation notwendige Aufteilung des Berechnungsraumes vorzunehmen, werden die nassen Volumen (Beispiel Laufradkanäle) im Zuge des Pre-Processings mit einem Berechnungsnetz versehen. Die Qualität dieser Netze ist maßgeblich für die Güte der Simulationsergebnisse verantwortlich. Die Rechennetze werden heutzutage weitestgehend automatisch generiert, wobei zum Erreichen optimaler Netztopologien ein manueller Eingriff sinnvoll ist. Die Vorgaben spezifischer Randbedingungen für den Betriebspunkt (Drehzahl, Volumenstrom), die physikalischen Eigenschaften des Fördermediums (Dichte, Viskosität) sowie die Festlegung auf ein Rechenmodell beenden das „Pre-Processing“.

Nach dem Formulieren der Ein- und Austrittsrandbedingungen beginnt das eigentliche computergestützte Simulationsverfahren. Dabei arbeitet der Rechner automatisch und ohne Zutun des Anwenders. Die sich ergebenden Lösungen werden ausgewertet, analysiert und dokumentiert. „Dabei ist heute weniger die Rechenzeit ein Problem, vielmehr ist die anschließende Analyse der Daten sehr aufwendig“, erläutert Dr. Fritz. Während das eigentliche „Solving“ durch den Computer im Hintergrund durchgeführt wird und sich die Darstellung der Rechenergebnisse – das Post-Processing – wesentlich automatisieren lässt, erfolgt die Bewertung weiterhin interaktiv mit fundiertem hydraulischen Wissen. Dabei erhält der Ingenieur durch die Darstellung von Strömungsvektoren oder Druck- und Geschwindigkeitsverteilungen in ausgewählten Schnittebenen Aufschluss über die vorherrschenden Strömungszustände und kann Verbesserungspotenziale ableiten.

Die so optimierten, repräsentativen Baugrößen wurden teilweise in Testpumpen überführt und mussten im Forschungsprüffeld beweisen, dass die vorgeschlagenen Verbesserungen der Realität standhalten. Die Messergebnisse wurden anschließend zum Abgleich mit den CFD-Ergebnissen verwendet, um ggf. einen letzten Feinschliff an den Geometrien vorzunehmen. „Um diese Erkenntnisse auch für die anderen Baugrößen zu nutzen, bedienten wir uns einer Software auf Basis von neuronalen Netzen, die es ermöglicht, die Geometrien zu systematisieren und dabei die Komplexität zu reduzieren“, erklärt Dr. Fritz. Anschließend wurden unter Verwendung der kalibrierten Werkzeuge alle anderen Baugrößen hydraulisch neu gestaltet.

Die aus den Strömungsberechnungen erhaltenen Druckverläufe kommen aber noch an anderer Stelle zum Einsatz: Bei der neu entwickelten Chemienormpumpe MegaCPK wurden nicht nur die Hydrauliken hinsichtlich ihres Wirkungsgrades optimiert, auch die anderen Bauteile wurden einer genauen Prüfung unterzogen. Hier lag der Fokus auf der Betriebssicherheit. Die Kollegen, die die Pumpe im Hinblick auf ihre Festigkeit und Struktur untersuchten, nutzten die aus der CFD-Analyse gewonnenen Druckverläufe und optimierten die Bauteile mithilfe von Computational Structural Mechanics – oder besser bekannt unter dem Begriff der Finite-Elemente-Methode (FEM). Ein Ergebnis dieser Arbeiten ist unter anderem der neu gestaltete Druckdeckel. Durch die Nutzung von Optimierungsverfahren in Kombination mit der Finite-Elemente-Analyse lassen sich Bauteile so gestalten, dass im Bereich hoher Spannungen genügend Material der Bauteile vorhanden ist, um die Festigkeit zu gewährleisten. Im Bereich mit niedrigen Spannungsbelastungen kann wiederum unnötiges Material entfernt werden.

Dank optimierter Hydrauliken erfüllt die MegaCPK nun selbst zukünftige Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrads und sichert damit die langfristige Planung neuer Anlagen und Ersatzteillieferungen. Dies konnte bereits in zahlreichen Untersuchungen und in verschiedenen Anwendungen unter Beweis gestellt werden. So ersetzte die Chemienormpumpe MegaCPK in einem Praxistest die bis dahin eingesetzte KSB-Pumpe CPKN – mit großem Erfolg für die Energiebilanz. So ließ sich in einem Fall der Wirkungsgrad im Vergleich zur CPKN durch Downsizing und veränderte Auslegung um 19 % steigern. Gleichzeitig konnte eine kleinere Baugröße gewählt werden, sodass die Investitionskosten gesenkt wurden.

Bei allem Erfolg: Begriffe wie Neuronales Netz, CFD und FEM sind kein Wundermittel, sondern erst die Kombination aus fundierter Erfahrung und modernen Werkzeugen führt zum Erfolg. Mit der Integration dieser Werkzeuge in einen durchgängigen Entwicklungsprozess lassen sich jedoch erhebliche Potenziale heben.

Halle 8.0, Stand H14

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Die Entwicklung der MegaCPK basiert auf zwei Pumpenbaureihen, die sich seit Jahrzehnten auf dem Markt bewährt haben. Beide Pumpentypen, die CPK- und die Mega-Baureihe, sind in anspruchsvollen Chemieanwendungen im Einsatz. Während sich die CPK dank ihrer fein aufeinander abgestimmten Baureihen individuell auf unterschiedlichste Anwendungen anpassen lässt, bietet die Mega aufgrund ihrer Hydraulik hohes Potenzial in Bezug auf die Energieeffizienz.

Die MegaCPK, die nach EN 22858/ISO 2858/ISO 5199 sowie Richtlinie 94/9/EG (Atex 100) konstruiert wurde, eignet sich zum Fördern von aggressiven organischen und anorganischen Flüssigkeiten in der chemischen und petrochemischen Industrie. Sie kommt aber auch in der Zuckerindustrie und für die Meerwasserentsalzung/Umkehrosmose zum Einsatz und kann für Kondensat, Heißwasser, Sole, Wärmeträgermedien und Reinigungsmittel verwendet werden.

Als Werkstoffe stehen wahlweise Grauguss, Stahlguss, Edelstahl, Duplex sowie zahlreiche Sonderwerkstoffe zur Verfügung. Mit einem Förderstrom bis 1160 m3/h (50 Hz) bzw. 1400 m3/h (60 Hz) und einer Förderhöhe bis 162 m (50 Hz) bzw. bis 233 m (60 Hz) deckt die MegaCPK ein breites Anwendungsspektrum ab. Mögliche Betriebstemperaturen liegen zwischen -40 bis +400 °C, der maximale Betriebsdruck beträgt bis 25 bar.