Pumpen-Antriebe für Wasser/Abwasser Sauber geklärt, zuverlässig gepumpt: Antriebsretrofit wird zur Fitnesskur für die Pumpe

Von Christian Rüttling*

Antriebsretrofit bei Schneckenpumpen in einer Kläranlage – Eine verbreitete Lösung zum Heben von Wasser, Abwasser und Dünnschlamm sind archimedische Schneckenpumpen. Für einen zuverlässigen Betrieb dieser Pumpen spielt die Antriebstechnik eine Schlüsselrolle – Richtig geplant kann ein Antriebsretrofit zur Frischzellenkur für die Anlage werden.

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Schneckenpumpenantriebe: in der Mitte – Stirnradgetriebe angetrieben über Riementrieb mit Motor auf Motorstuhl. Daneben – Stirnradgetriebe mit Motoradapter angetrieben über einen mit Kupplung verbundenen Motor.
Schneckenpumpenantriebe: in der Mitte – Stirnradgetriebe angetrieben über Riementrieb mit Motor auf Motorstuhl. Daneben – Stirnradgetriebe mit Motoradapter angetrieben über einen mit Kupplung verbundenen Motor.
(Bild: SEW-Eurodrive)

Das Funktionsprinzip von Schneckenpumpen war bereits in der Antike bekannt: Eine Schnecke rotiert um ihre Mittelachse und nimmt dabei das Fördergut in den Kammern zwischen Trog und Schnecke mit nach oben. Am Schneckenende kann das Wasser schließlich aus der sich auflösenden Kammer auslaufen. Die nach dem Erfinder, dem griechischen Ingenieur und Mathematiker Archimedes, benannte Archimedische Schnecke, ist heute eine gängige Lösung für den Abwasser- und Schlammtransport in Kläranlagen. Ihre Unempfindlichkeit gegenüber stark verunreinigtem Wasser (hoher Feststoffgehalt) sowie der wartungsarme Betrieb der Anlagen haben zu ihrer Verbreitung beigetragen.

Angetrieben werden Schneckenpumpen von asynchronen Drehstrommotoren, die entweder über einen Riementrieb oder eine drehelastische Kupplung mit den Getrieben verbunden sind. Abhängig von den örtlichen Gegebenheiten wird die Variante mit Riemen als Stirnradgetriebe mit Motorstuhl oder als Kegelstirnradgetriebe mit einem separat aufgestelltem Fußmotor realisiert. Bei der Anbindung über eine Kupplung erfolgt die Montage des Motors entweder über einen Motoradapter oder als Fußbefestigung direkt auf dem Fundament. Die riemenlosen Antriebe haben eine höhere Energieeffizienz. Der Wegfall einer verschleißbehafteten Komponente reduziert zudem den Wartungsaufwand für den Betreiber.

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Abtriebsseitig wird das Getriebe über eine elastische Kupplung mit der Schneckenwelle verbunden. Diese gleicht den Wellenversatz zwischen Getriebe- und Maschinenwelle aus und nimmt über Elastomerelemente gleichzeitig moderate Stöße auf. Die beim Abschalten des Motors durch das zurückdrängende Wasser auftretenden Rückwärtsbeschleunigungen werden zudem von einer Rücklaufsperre am Getriebe abgefangen. Fliehkraftabhebende Klemmköper heben bei Erreichen der Abhebedrehzahl vom Außenring der Rücklaufsperre ab und geben die Drehbewegung in Förderrichtung frei. Die Sperrwirkung der Klemmköper in die entgegengesetzte Drehrichtung verhindert das Rückwärtsdrehen der Schnecke.

Neben dem Betrieb der Motoren am Netz kommen zunehmend Frequenzumrichter zur Drehzahloptimierung der Schneckenpumpe zum Einsatz. In Abhängigkeit vom Unterwasserspiegel wird so durch eine stufenlose Drehzahlregelung die Schneckenpumpe im wirkungsgradoptimierten Bereich betrieben.

So finden Sie das passende Getriebe

Ein passend zur Anwendung projektiertes Getriebe gehört zur Grundvoraussetzung für einen störungsfreien Betrieb der Schneckenpumpe. So werden z.B. auf Basis des zu übertragenden Drehmoments sowie der ein- und abtreibenden Drehzahl die mechanischen Sicherheiten für Verzahnung, Wellen, Wälzlager etc. bestimmt. Die einzuhaltenden Mindestsicherheiten ergeben sich dabei aus der Charakteristik der Anwendung sowie der täglichen Betriebszeit.

Auch die Frage, ob der Motor am Frequenzumrichter, mit Sanftanlaufgerät oder direkt am Netz betrieben wird spielt bei der Dimensionierung des Getriebes eine Rolle. Die durch den Anlaufvorgang verursachten, kurzzeitigen Überlasten müssen ebenso berücksichtigt werden wie die sich unter normalen Betriebsbedingungen einstellenden Belastungen.

Ein netzbetriebener Asynchronmotor läuft mit etwa dem 3-fachen Wert seines Nenndrehmomentes an. Beim Frequenzumrichter-Betrieb hingegen lässt sich der Anlaufstrom und damit das Anlaufmoment des Motors begrenzen. Die Belastung des Getriebes durch den Anlaufvorgang ist hierdurch deutlich weniger ausgeprägt als beim Netzbetrieb. Weiterhin sind ggf. auftretende Überlasten auf der eintreibenden Seite – wie sie etwa durch Verklemmen von Treibholz auftreten – bei der Planung des Antriebskonzeptes zu berücksichtigen.

Ein weiterer Schritt auf dem Weg zum passenden Getriebe ist die Überprüfung der Thermik. Die Wärmegrenzleistung des projektierten Getriebes muss größer als die Betriebsleistung an der einreibenden Welle sein. Unter Wärmegrenzleistung versteht man dabei die Leistung, die mit einem Getriebe übertragen werden kann, ohne dass eine definierte Öltemperatur überschritten wird. Zahlreiche Faktoren wie die Umgebungstemperatur, Schmierstoffart und –viskosität, Einschaltdauer usw. bestimmen die zulässige Wärmegrenzleistung. Sollte diese nicht ausreichen um die benötigte Leistung zu übertragen, muss auf eine Kühlung zurückgegriffen werden. Bei Schneckenpumpen kommen dann vor allem Umlaufkühlanlagen als Öl-Wasser oder Öl-Luftkühler zum Einsatz.

Zustandserfassung verhindert Ausfall

Zwei der drei verbauten Kegelstirnradgetriebe mit Riementrieb (Fremdfabrikat) zeigten bereits erhebliche Schädigungen
Zwei der drei verbauten Kegelstirnradgetriebe mit Riementrieb (Fremdfabrikat) zeigten bereits erhebliche Schädigungen
(Bild: SEW-Eurodrive)

Wie zuvor gezeigt bestimmen viele Einflussfaktoren die Auswahl eines Schneckenpumpen-Getriebes. Eine mangelnde Projektierung sowie ein Betrieb der Pumpen außerhalb der ursprünglich zu Grunde gelegten Auslegungsdaten wirken sich negativ auf die Verfügbarkeit der Antriebe aus. Aber auch ein bestens zur Anwendung ausgewähltes Getriebe unterliegt mit zunehmender Betriebszeit einem natürlichen Verschleiß, der bei Nichterkennen zu einem Totalausfall führen kann. So ist etwa der Getriebeschmierstoff bei der sich im Betrieb einstellenden Ölbadtemperatur für eine definierte Lebensdauer bemessen.

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Wird diese überschritten, kann eine ausreichende Schmierung nicht mehr sichergestellt werden – Reibung und damit einhergehender Verschleiß nehmen zu. Damit Schäden frühzeitig erkannt werden und die Schneckenpumpe nicht unerwartet ausfällt, stehen den Betreibern vierschieden Methoden zur Zustandserfassung der Antriebstechnik zur Verfügung – hierzu zählen beispielsweise die Endoskopie und Ölanalyse aber auch kontinuierliche Condition-Monitoring-Methoden, bei denen der Zustand der Antriebstechnik über Sensoren ermittelt wird.

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So sichert der Retrofit die Anlagenverfügbarkeit

Um die Verfügbarkeit der Einlauf-Schneckenpumpen in einer Münchner Kläranlage auch zukünftig sicherzustellen, entschied sich der Betreiber zu einer präventiven Befundung seiner Getriebe mittels Endoskopie: Hierbei wird die Sonde des Endoskops durch eine entsprechende Öffnung im Getriebe, z. B. dem Inspektionsdeckel eingeführt. Eine flexible Leitung mit hochauflösendem Kamerakopf ermöglicht es, alle potenziellen Schadstellen im Getriebe einzusehen und zu dokumentieren.

Neu im Einsatz sind Stirnradgetriebe der Baureihen X von SEW-Eurodrive. Durch die Verwendung einer Adapterplatte konnten die bestehenden Anschlussmaße abgebildet werden, ohne dass aufwändige Fundamentarbeiten durchgeführt werden mussten.
Neu im Einsatz sind Stirnradgetriebe der Baureihen X von SEW-Eurodrive. Durch die Verwendung einer Adapterplatte konnten die bestehenden Anschlussmaße abgebildet werden, ohne dass aufwändige Fundamentarbeiten durchgeführt werden mussten.
(Bild: SEW-Eurodrive)

Auf Grundlage einer Sichtprüfung an den Wälzlagern und Verzahnteilen sowie einer Bewertung der Tragbilder an den Zahnflanken kann zuverlässig auf den Zustand des Getriebes geschlossen werden. Zwei der drei verbauten Getriebe (Fremdfabrikat) zeigten bereits erhebliche Schädigungen wie Graufleckigkeit und Pittings, die im Fortgang zu größeren Flankenausbrüchen und letztendlich zu einem Totalversagen der Antriebseinheit führen können. Ein weiterer Antrieb wurde ausgehend von dem noch sehr geringen Verschleißgrad als unkritisch bewertet.

Konzept für höhere Energieeffizienz

Die Betriebsleitung entschied sich schließlich, die beiden Getriebe sowie die Asynchron-Drehstrommotoren zu tauschen. Fündig wurden die Münchener bei SEW-Eurodrive: Der Antriebsspezialist aus dem nordbadischen Bruchsal bringt aus seiner fast neunzigjährigen Geschichte eine in Jahrzehnten gewachsene Expertise in Sachen Antriebsaufgaben rund um den Bereich der Kläranlage mit.

Als Ersatz für die bisher verbauten Kegelstirnradgetriebe mit Riementrieb schlug SEW die dreistufigen Stirnradgetriebe der Baureihe X vor, wobei die Anbindung des Motors an das Getriebe mit einem Motoradapter mit integrierter drehelastischer Kupplung realisiert werden konnte.

Durch das neue Antriebskonzept entfiel der verschleißbehaftete Riemen. Der Betreiber profitiert so von geringeren Wartungsaufwänden sowie einer höheren Energieeffizienz im Vergleich zur bisher bestehenden Antriebslösung, erklärt SEW-Eurodrive. Auch ließ sich die Adaption an die Anschlussmaße der Schneckenwelle ohne aufwändige Fundamentarbeiten umsetzten. Die geringe Achshöhe der Industriegetriebe Baureihe X ermöglicht, dass sich bestehende Anschlussmaße mit einer Bodenblatte einfach abbilden lassen - so auch in diesem Fall, bei dem die Adapterplatte Teil des SEW Antriebspakets war.

Pumpen-Antriebspaket aus einer Hand

Die Getriebe der Baugröße 230 sind mit einem Nenndrehmoment von 131 kNm ausreichend groß bemessen, um die 200 kW des SEW-Motors vom Typ DRN sicher zu übertragen und gleichzeitig applikationsseitige Stöße zu kompensieren. Eine lange Öllebensdauer wird durch einen externen Öl-Luftkühler sichergestellt. Er sorgt dafür, dass der Getriebeschmierstoff im projektieren Temperaturbereich bleibt und permanent gefiltert wird. Zur flexiblen Anpassung der Pumpenleistung werden die Antriebe am Frequenzumrichter betrieben. Die hierdurch im Vergleich zum Netzbetrieb geringere Belastung durch den Anlaufvorgang, wirkt sich positiv auf die Getriebelebensdauer aus. Beim Betrieb der Motoren am Frequenzumrichter kann es jedoch durch induzierte Wellenströme zu einer Beschädigung der verbauten Wälzlager kommen. Um dem vorzubeugen, wurden die Motoren mit stromisolierten Wälzlagern auf der Motor-B-Seite ausgestattet.

Die abtriebsseitigen Bolzenkupplungen der Bestandgetriebe zeigten bei der Befundung keine signifikanten Schäden. Sie konnten daher weiterverwendet werden und mussten zur Anpassung an das Wellenmaß der neuen Getriebe lediglich aufgebohrt werden. Neben dem Einbau der Antriebe sowie der Bodenplatte war auch dies Teil der von SEW-Eurodrive durchgeführten Arbeiten.

Getriebe sind eine Schlüsselkomponente, wenn es um die Betriebssicherheit von Schneckenpumpen geht. Viele Einflussfaktoren bestimmen deren Auswahl und sicheren Betrieb. Klärwerksbetreiber sollten daher bei der Planung neuer Antriebe auf die Erfahrung eines Branchenspezialisten zurückgreifen. Dann verleihen neue Getrieben und Motoren den Pumpen - wie in München - neue Kräfte.●

* *Der Autor ist Marktmanager Industriegetriebe bei SEW-Eurodrive Kontakt: schneckenpumpe@sew-eurodrive.de

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