Sicherheitszuschlag und Bestpunkt bei KreiselpumpenDer Zuschlag, der die Anlageunsicher macht.
In der Pumpentechnik richtet der Sicherheitszuschlag regelmäßig mehr Schaden an als das Risiko, gegen das er gesetzt wurde. Nicht der einzelne Zuschlag, sondern die Kette. Dieses Blatt hält fest, wie sie entsteht, wohin sie den Betriebspunkt schiebt und was dort passiert.
- Zuschläge multiplizieren sich, sie addieren sich nicht
- Die zu groß gewählte Pumpe läuft dauerhaft im Teillastbereich
- Dort entstehen Rückströmung, Schwingungen, Verschleiß und Kavitationsschäden
- Empfohlen ist ein Nennförderstrom bei 80 bis 110 % des Bestpunkts
Aus der Reihe A, Strömungsmaschinen. Verwandt: Insight 02, weil die zu große Pumpe der häufigste Grund ist, warum überhaupt gedrosselt werden muss.
Jede Ebene legt ihren Puffer auf den Puffer der anderen.
Die Logik wirkt an jeder einzelnen Stelle vernünftig. Der Verfahrenstechniker rechnet den Bedarf und schlägt etwas auf, weil die Randbedingungen noch nicht endgültig sind. Die Anlagenplanung schlägt auf die Förderhöhe auf, weil die Rohrleitung noch nicht verlegt ist. Der Lieferant wählt aus seinem Programm die nächstgrößere Baugröße, weil er die zugesagten Werte halten muss.
Keiner dieser Schritte ist falsch. Falsch ist nur, dass niemand die Summe sieht. Und die Summe ist größer als erwartet, weil Zuschläge sich multiplizieren:
1,10 · 1,10 · 1,10 = 1,331
- Erwartet
- drei Ebenen mit je 10 %, also 30 % größer
- Tatsächlich
- 33 % größer — und das nur bei drei Ebenen und je 10 %
Der Unterschied zwischen 30 und 33 Prozent klingt klein. Er verschiebt den Betriebspunkt aber über genau die Grenze, an der die Auslegungspraxis den empfohlenen Bereich enden lässt. Und drei Ebenen mit je 10 Prozent sind eher die untere Abschätzung.
Wohin die Zuschläge den Betrieb schieben.
Aufgetragen ist der Wirkungsgrad über dem Förderstrom, bezogen auf den Bestpunkt der ausgewählten Pumpe. Jeder Zuschlag macht die Maschine größer und schiebt damit den tatsächlichen Bedarf weiter nach links auf ihre eigene Kennlinie.
Der Betriebspunkt liegt danach noch innerhalb des zulässigen Dauerbetriebs, aber außerhalb des empfohlenen Bereichs für den Nennförderstrom. Genau in diesem Zwischenraum leben die meisten überdimensionierten Pumpen: nicht kaputt, aber dauerhaft im falschen Bereich.
Was links vom Bestpunkt passiert.
Der Teillastbereich einer Kreiselpumpe ist kein abgeschwächter Normalbetrieb, sondern ein anderer Strömungszustand. Am Laufradeintritt strömt Fluid zurück, weil die Anströmung nicht mehr zur Schaufelgeometrie passt. Der Rest folgt daraus.
Was der Zuschlag anrichtet
- Rückströmung am Laufradeintritt, instationäre Wirbel
- Druckschwankungen, Schwingungen, deutlich höheres Geräusch
- Verschleiß an Lagern und Gleitringdichtung, kürzere Standzeit
- Kavitationsschäden, weil das Saugverhalten im Teillastbereich ungünstiger wird, siehe Insight 01
- Niedrigerer Wirkungsgrad, in jeder Betriebsstunde bezahlt
Was stattdessen zu tun ist
- Die Kette sichtbar machen: wer hat wo wie viel aufgeschlagen?
- Einen Zuschlag begründen statt drei zu stapeln
- Den Betriebspunkt messen und in die Kennlinie eintragen, nicht schätzen
- Bei bestehender Überdimensionierung: Laufrad abdrehen oder Drehzahl senken
- Reserve dort einbauen, wo sie nichts kostet: in der Regelbarkeit, nicht in der Baugröße
Sicherheit entsteht nicht durch gestapelte Zuschläge.
In Projektplänen habe ich dieselbe Mechanik am Werk gesehen. Jede Ebene legt ihren Puffer auf den Puffer der anderen. Das System läuft dann dauerhaft fern von seinem Bestpunkt: Kapazität wirkt knapp, obwohl sie nur gebunden statt genutzt ist, und der echte Engpass bleibt unter all den Reserven unsichtbar.
- Der Konstrukteur schätzt großzügig, weil er die Rückfragen kennt.
- Die Projektleitung legt einen Puffer darauf, weil Schätzungen erfahrungsgemäß reißen.
- Der Vertrieb legt einen Puffer darauf, weil der Termin zugesagt wird.
- Jeder einzelne Schritt ist vernünftig. Die Summe steht in keinem der drei Dokumente.
Sicherheit entsteht nicht durch gestapelte Zuschläge, sondern durch die genaue Kenntnis des Arbeitspunkts. Wie man den in einer Konstruktionsabteilung überhaupt misst, steht in Prüfbericht 01.
Was aus der Praxis regelmäßig gefragt wird.
Wie groß darf der Sicherheitszuschlag bei der Pumpenauslegung sein?
Die Auslegungspraxis empfiehlt, den Nennförderstrom zwischen 80 und 110 Prozent des Bestpunkts zu legen und den Dauerbetrieb etwa zwischen 60 und 120 Prozent zu halten. Ein Zuschlag ist damit nicht verboten, aber er hat eine Obergrenze, und diese gilt für die Summe aller Zuschläge, nicht für den einzelnen. Entscheidend ist deshalb, dass die Kette der Zuschläge überhaupt sichtbar ist.
Was passiert, wenn eine Kreiselpumpe dauerhaft im Teillastbetrieb läuft?
Am Laufradeintritt strömt Fluid zurück, die Anströmung passt nicht mehr zur Schaufelgeometrie. Die Folgen sind Druckschwankungen, Schwingungen, Geräusch, erhöhter Verschleiß an Lagern und Dichtungen sowie Kavitationsschäden. Der Wirkungsgrad fällt, und der Betrieb bezahlt die Überdimensionierung in jeder Betriebsstunde.
Woran erkenne ich, dass meine Pumpe überdimensioniert ist?
Drei Anzeichen: Das Regelventil steht dauerhaft weit geschlossen. Die Stromaufnahme liegt deutlich unter der Nennleistung des Motors. Die Pumpe ist lauter, als ihre Baugröße erwarten lässt. Sicher ist es erst, wenn der tatsächliche Betriebspunkt gemessen und in die Kennlinie eingetragen wurde.
Kann man eine zu große Pumpe nachträglich anpassen?
Ja, meist ohne Austausch der Maschine. Der Laufraddurchmesser lässt sich abdrehen, was Förderhöhe und Leistungsbedarf senkt. Alternativ verschiebt eine niedrigere Drehzahl den Betriebspunkt entlang der Affinitätsgesetze, siehe Insight 02. Beides ist deutlich günstiger als eine neue Pumpe und wirkt unmittelbar auf den Energieverbrauch.
Warum werden Sicherheitszuschläge trotzdem gestapelt?
Weil jede Ebene für ihr eigenes Risiko haftet und für das Gesamtergebnis niemand. Der Verfahrenstechniker sichert seinen Prozess ab, die Anlagenplanung ihre Rechnung, der Lieferant seine Zusage. Jeder einzelne Zuschlag ist für sich vernünftig. Erst die Summe erzeugt den Schaden, und sie steht in keinem der drei Dokumente.
Woher der Zusammenhang stammt.
- [1] Gülich, J. F.: Kreiselpumpen. Springer, Kapitel 15 (Auswahl und Qualität von Kreiselpumpen). Zu hohe Sicherheitszuschläge auf Förderhöhe und Förderstrom führen zu Überdimensionierung und Dauerteillastbetrieb mit Rückströmung am Laufradeintritt, Schwingungen, Verschleiß und Kavitationsrisiko. Empfohlener Nennförderstrom 80 bis 110 % des Bestpunkts, Dauerbetrieb etwa 60 bis 120 %.
- [2] Rechenbeispiel zu Bild 1 und Abschnitt 01. Drei Ebenen mit je 10 % ergeben 1,10³ = 1,331. Der tatsächliche Bedarf liegt damit bei 1/1,331 = 0,751, also rund 75 % des Bestpunkts der ausgewählten Maschine. Vier Ebenen: 1,10⁴ = 1,464. Fünf Ebenen: 1,10⁵ = 1,611.
- [3] Eigene Einordnung aus der Engineering-Praxis. Abschnitt 04 ist Übertragung, nicht Strömungsmechanik, und als solche gekennzeichnet.
Wo stapeln sich bei Ihnen Zuschläge?
Dieses Blatt verkauft nichts. Wenn die Übertragung aber etwas getroffen hat: 30 Minuten, keine Präsentation. Wir schauen uns an, wo in Ihrer Entwicklung Kapazität gebunden statt genutzt ist.
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