Projekt 21885/01

Entwicklung eines neuen Statordesigns für Exzenterschneckenpumpen

Projektträger

NETZSCH Mohnopumpen GmbH
Geretsrieder Str. 1
84478 Waldkraiburg
Telefon: 08638/632318

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Exzenterschneckenpumpen sind rotierende Verdrängerpumpen und in vielen Industriezweigen beson-ders für feststoffhaltige Medien häufig eingesetzt. Nach bisherigem Stand der Technik wird bei den Statoren das Elastomer an den Statormantel aus Stahlrohr vulkanisiert. Der Stator ist das wesentliche Verschleißteil dieser Pumpenart und wird deshalb in großen Stückzahlen gefertigt. Die entstehenden Umweltbelastungen aus Fertigung und Entsorgung von Statoren lassen sich durch den Verzicht auf die feste Verbindung von Elastomerkörper und Statormantel deutlich reduzieren. Projektziel war die Entwicklung eines neuen und leistungsfähigen Statordesigns bis zur Serienreife. Das neue Statorsystem stellt ökologisch, ökonomisch und technologisch eine Verbesserung zum Stand der Technik dar.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuf Basis einer Konstruktionsidee für ein neues Stator-System wurden Vorversuche durchgeführt. Die Versuchsergebnisse dienten als Grundlage für das Projekt, das die Entwicklung von Elastomerkörper und Statormantel als zwei getrennte Bauteile vorsieht. Ein modular aufgebauter Statormantel aus Kettengliedern anstelle eines anvulkanisierten Metallrohrs hat das Potential, mehrere technologische Probleme von Statoren in Exzenterschneckenpumpen zu lösen; Baukastensysteme werden ermöglicht. Alternativ wurden auch zweiteilige Metallummantelungen entwickelt und erprobt, die kostengünstig aus Aluminium-Strangpressprofilen gefertigt wurden. Die Auswahl wirtschaftlicher Produktionstechnologien ist ein weiterer Bestandteil des Vorhabens. Anhand von Technikums- und Feldversuchen sollte die Alltagstauglichkeit des neuen Statorsystems getestet werden.
Im Vergleich zum Stand der Technik wird mit dem neuen Statorsystem sowohl bei der Produktion als auch bei der Entsorgung die Umwelt entlastet. Durch den Verzicht auf die Vulkanisationsverbindung zwischen Elastomer und Statormantel kann bei der Herstellung des Elastomerkörpers auf diverse Chemikalien vollständig verzichtet werden. Die Entsorgung des reinen Elastomerkörpers als alleiniges Verschleiß-teil des neuen Statorsystems bietet eine weitere Umweltentlastung.


Ergebnisse und Diskussion

Die Entwicklung wurde parallel in zwei Bereichen durchgeführt. Das Herstellungsverfahren und Formenauslegen für den Elastomerkörper der Pumpe stellte einen Bereich dar. Im anderen Bereich wurden im Wesentlichen zwei unterschiedliche Statormantelvarianten entwickelt und getestet.
Der erste wichtige Teil der Entwicklung des Elastomerkörpers war das Herstellungsverfahren. Durch die Trennung von Elastomerkörper und Statorrohr konnte die Fertigung in so fern vereinfacht werden, dass über das Elastomer hinaus auf den Einsatz von Chemikalien vollständig verzichtet werden kann. Die für die Anvulkanisation oder Bindung des Elastomers an das Statorrohr notwendigen Binder und Primer und die notwendige Vorbehandlung des Statorrohres durch Sandstrahlen und Entfetten entfallen bei dem neuen Herstellungsprozess komplett. Das veränderte Herstellungsverfahren benötigt auch keine anderen Chemikalien, da die problematische Entformung des Formkerns mit einer neu entwickelten Druckluftglocke durchgeführt wird.
Das veränderte Schwindungsverhalten des Elastomers durch die fehlende stoffschlüssige Verbindung mit dem Statorformrohr machte eine vollkommen neue Auslegung des Statorformen notwendig. Da es dafür keine Erfahrungswerte gab und dies auch nicht berechnet werden kann, mussten für jede Baugröße die idealen Formmaße empirisch ermittelt werden.
Die Entwicklung eines abtrennbaren und weiternutzbaren Statormantels begann mit einem Kunststoffkettengliedmantel. Zu Beginn wurden die Kettenglieder aus faserverstärktem PBT gefertigt. Bei Pumpversuchen stellt sich aber heraus, dass die nicht zu vermeidende Bindenaht in faserverstärkten Kunststoff-Formteilen zu Überlastungsbrüchen und damit zur Zerstörung des Statormantel bei höheren Druckbelastungen führte. Zur Vermeidung der Bindenaht und zur Verbesserung der Elastizität wurden die Ketten-glieder aus unverstärktem POM hergestellt und getestet. Wegen der schlechteren Festigkeitswerte von POM wurde die Konstruktion der Kettenglieder mit größeren Materialquerschnitten optimiert. Die Feldversuche zeigten ausgezeichnete Ergebnisse in Bezug auf Verschleißfestigkeit dieses Stator-Systems. Allerdings wurden bei höheren Druckbelastungen auch Probleme mit der Dauerfestigkeit des Kunststoffs festgestellt. Diese Probleme hätten nur mit hochwertigeren Kunststoffen vermieden werden können. Die Herstellungskosten des Kettengliedmantels waren aber wegen der relativ aufwändigen Montage der Ket-tengliedmantels bereits an der Grenze des Möglichen. Somit wurde nach einer alternativen Variante gesucht. Die Entwicklung eines mehrteiligen Statormantels aus Aluminiumprofilen führte zum Erfolg. Die Profile wurden nach dem Aluminium-Strangpressverfahren hergestellt. Die Probleme mit Dauerfestigkeit und Wirtschaftlichkeit waren damit vom Tisch. Allerdings mussten noch einige Vorteile, die der Kettengliedmantel zu bieten hatte, übertragen werden. So wurde zur Anpassung an verschiedene Betriebstemperaturen eine Stator-Verstelleinheit entwickelt, die optional mit dem Stator-System verwendet werden kann. Die extreme Flexibilität des Kettengliedmantels konnte allerdings nicht erreicht werden. In Zusammenarbeit mit einem Produktdesigner wurde das äußere Erscheinungsbild des neuen Stator-Systems gestaltet, um die Alleinstellungsmerkmale des Produkts zu unterstreichen.
Weitere Vorteile des neuen Stators sind zu nennen: Durch die veränderte Art den Stator einzubauen und axial zu stauchen ergibt sich eine deutlich vereinfachte Montage des Stators auf den Rotor. Ursache da-für ist das Übermaß des Stators vor dem Zusammenbau der Pumpe. Erst beim Zusammenbau der Pumpe werden durch die axiale Stauchung des Elastomerkörpers die idealen Statormaße erreicht. Auf Grund der fehlenden Bindung zwischen Elastomer und Statormantel ergibt sich eine besondere Beweglichkeit des Elastomerkörpers. Dieses neuartige dynamische Verhalten wirkt sich positiv auf die Standzeiten aus und führt außerdem zu geringeren Drehmomenten im Lastbetrieb. Die Folge ist die Senkung der Life-Cycle-Costs, wegen Einsparung von Ersatzteilen und Energiekosten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Neben Artikeln in Fachzeitschriften wurde der neue Stator vor allem auf der ACHEMA 2006 in Frankfurt am Main der Öffentlichkeit und einem internationalen Fachpublikum vorgestellt.


Fazit

Das Ziel, eine neue Statortechnologie bis zur Serienreife zu entwickeln, wurde erreicht. Der neue Stator setzt sowohl technologisch als auch ökologisch neue Maßstäbe. Die Basis für einen Innovationsschub im Bereich der Exzenterschneckenpumpen ist damit geschaffen. Dies wurde durch Gespräche mit Anwen-dern und Wettbewerbern bei der Präsentation auf der ACHEMA 2006 deutlich. Für die Netzsch Mohnopumpen GmbH beginnt damit eine umfangreiche Entwicklungsarbeit zur breiten Einführung einer neuen Statorgeneration.