Entwicklung energieeffizienter Axialpumpen für Wasserattraktionen

Ob Wasserrutschen, Surfanlagen oder Wellenbecken – den Attraktionen in Wasserparks und Spaßbädern sind keine Grenzen gesetzt. Sie werden immer höher, schneller, aufregender. Dementsprechend ergeben sich neue Anforderungen an konstruktive und technische Anlagenkomponenten der Wasserattraktionen. Während konstruktive Komponenten bereits genau für die jeweilige Wasserattraktion ausgelegt werden, hinkt die Pumpentechnik in diesem Bereich noch deutlich hinterher.

Für den gängigen Beckenwasserkreislauf von Schwimmbädern werden Radialpumpen eingesetzt. Bei Wasserattraktionen hingegen, wo große Wassermengen bei gleichzeitig geringen Förderhöhen (zu überwindende Höhendifferenz des Wassers) bewältigt werden müssen, stoßen Radialpumpen an ihre Grenzen. Radialpumpen befördern das Wasser senkrecht zur Pumpenwelle aus dem Laufrad. Laufräder von Radialpumpen müssen daher eine hohe spezifische Förderarbeit zum Aufbau des erforderlichen Drucks leisten. Bei Fördermengen, welche um den Faktor 5 bis 10 größer sind, ist eine solche Auslegung der Laufräder nicht mehr möglich. Daher werden bei großen Fördermengen stattdessen Axialpumpen eingesetzt. Bei Axialpumpen wird das Wasser parallel zur Pumpenwelle (horizontal) befördert, d. h. das Wasser wird nicht umgelenkt. Diese Pumpen besitzen im Vergleich zu Radialpumpen geringere spezifische Förderarbeiten, können aber aufgrund des größeren Strömungsquerschnittes des Axiallaufrades größere Fördermengen fördern.

Die verfügbaren Axialpumpen sind jedoch für einen komplett anderen Einsatzbereich ausgelegt, wie beispielsweise für Klärwerke zur Abwasserförderung oder für Hochwasserpumpwerke. Deswegen sind beispielsweise die Schaufel-Geometrie und die Oberflächenbeschaffenheit für eine verstopfungsfreie Beförderung von Feststoffen ausgelegt, was jedoch im Bereich des Reinwassers nicht erforderlich ist. Die Förderung von Feststoffen bedingt z. B. eine Aufdickung des Schaufelprofils. Dies wiederum führt zu einem höheren Widerstandsbeiwert und steigenden Abströmverlusten an der Hinterkante der Laufradschaufel (siehe Kapitel 1.4). Weiterführend sind die verfügbaren Axialpumpen auf diskrete Betriebspunkte optimiert, da diese beispielsweise einmal bei Kläranlagen und einmal bei Hochwasserpumpwerken immer unter gleichbleibenden Betriebspunkten laufen. Daher sind die Anstellwinkel der Schaufelprofile bei den derzeitigen Axialpumpen so gewählt, dass im Bestpunktförderstrom der Axialpumpe für jeweils diese diskreten Betriebspunkte eine stoßfreie Anströmung der Schaufel erfolgt. Bei den derzeitigen Axialpumpen gibt es daher nur wenige und fest vorgegebene Auswahlmöglichkeiten bzgl. des Anstellwinkels (β_S). Bei anderen Bestpunktförderströmen und somit anderen Anströmwinkel, wie sie bei Wasserattraktionen auftreten, muss daher trotzdem auf diese begrenzte Auswahl an Anstellwinkel zurückgegriffen und die nächstbeste Winkeleinstellung (z. B. β_S=13°, 17°, 21°) ausgewählt werden. Dies führt zu hohen Stoßverlusten.

Der hohe Strömungsverlust durch die Aufdickung des Schaufelprofils, der nicht passende Anstellwinkel und der daraus resultierende schlechte Wirkungsgrad führen zu einem immens hohen, unnötigen Energieverbrauch der Axialpumpen bei Wasserattraktionen. Allein bei den ca. 2.000 Wasserparks weltweilt (mit jeweils durchschnittlich 5 Pumpen) beträgt das ungenutzte Energieeinsparpotenzial jährlich etwa 262.800.000 kWh.

In dem von der Europäischen Union kofinanizierten Projekt soll dieser unnötige Energieverbrauch durch die Entwicklung einer neuartigen Axialpumpe, welche speziell für Wasserattraktionen ausgelegt ist, zukünftig verhindert werden. Durch die Entwicklung einer neuartigen Laufradschaufel-Geometrie inkl. eines neuartigen Fertigungskonzeptes mit einer Oberflächenveredelung durch Beschichtung der mediumsberührenden Pumpenbauteile, sollen die Strömungsverluste minimiert werden. Zudem wird ein innovativer Algorithmus entwickelt, mit dem erstmals der optimale Anstellwinkel der Laufradschaufeln für jeden individuellen Betriebspunkt der Pumpe exakt berechnet (z. B. 13,7°) und so ein maximaler Wirkungsgrad erreicht werden soll. Damit eine wirtschaftliche Einzelfertigung möglich ist, wird ein parametrisches Modell (Laufradschaufeln und Leitradschaufeln) entwickelt, sodass eine automatische Herstellung der Negativform über das 3D-Sanddruckverfahren möglich wird. Weiterführend wird ein energieeffizienter Motor (Wirkungsgradklasse IE5) eingesetzt, dessen Abmaße so konzipiert sind, dass dieser im Strömungskanal möglichst wenig Verluste verursacht und gleichzeitig die maximale Leistungsdichte erzielt. Über die Entwicklung einer neuartigen Peripherie für den Motor kann dieser auch horizontal sicher in der Verrohrung gelagert werden (regulär werden diese Pumpen vertikal in einer Rohrleitung gelagert). Mit diesen Entwicklungen für die neue Axialpumpe kann der Energieverbrauch pro Pumpe, im Vergleich zur energieeffizientesten Pumpe von KSB die derzeit erhältlich ist (siehe Kapitel 3.3), um mindestens 3 % (ca. 26.280 kWh) und um Kosten von ca. 8.000 € pro Pumpe innerhalb eines Jahres (bei einem Strompreis von 0,30 € / kWh) gesenkt werden.

опубликовано 27.01.2025, Herborner Pumpentechnik GmbH & Co KG