Pumpenaffinitätsgesetze: Formeln für Förderstrom, Förderhöhe und Leistung mit VFD-Rechenbeispielen

Die Pumpenaffinitätsgesetze sind drei Verhältnisformeln, mit denen sich vorhersagen lässt, wie sich Förderstrom, Förderhöhe und Leistung einer Strömungspumpe ändern, wenn Drehzahl oder Laufraddurchmesser angepasst werden – dieselbe Physik steckt auch hinter der Kreiselwasserpumpen-Baureihe von BBP. Die Kurzübersicht unten enthält die Formeln; die Rechenbeispiele weiter unten zeigen die Berechnung anhand realer Betriebspunkte.

Kurzüberblick: Pumpenaffinitätsgesetze

Drehzahländerung (bei konstantem Durchmesser) Q2/Q1 = N2/N1  |  H2/H1 = (N2/N1)²  |  P2/P1 = (N2/N1)³
Durchmesseränderung (bei konstanter Drehzahl, Abdrehen des Laufrads) Q2/Q1 = D2/D1  |  H2/H1 = (D2/D1)²  |  P2/P1 = (D2/D1)³
Geltungsbereich Nur für Strömungspumpen (Kreisel-, Mischstrom- und Axialpumpen) – nicht für Verdrängerpumpen
Grenze für das Abdrehen gemäß Affinitätsregel Durchmesserreduzierung um 5 % (Hydraulic Institute); niemals unter 75 % des maximalen Laufraddurchmessers
Maßgebliche Norm ANSI/HI 14,3-2024, Strömungspumpen: Auslegung und Anwendung

Was sind Pumpenaffinitätsgesetze?

Was sind Pumpenaffinitätsgesetze? — BBP

Die Pumpenaffinitätsgesetze sind drei Verhältnisformeln, mit denen sich vorhersagen lässt, wie sich Förderstrom, Förderhöhe und Leistung einer Strömungspumpe ändern, wenn Drehzahl oder Laufraddurchmesser angepasst werden: Der Förderstrom steigt oder sinkt proportional, die Förderhöhe entsprechend dem Quadrat und die Leistung entsprechend der dritten Potenz des Änderungsverhältnisses. Sie gelten nur für Kreisel-, Mischstrom- und Axialpumpen, nicht für Verdrängerpumpen.

Diese Verhältnisse gelten für Strömungspumpen im Anwendungsbereich von ANSI/HI 14,3-2024 (Strömungspumpen: Auslegung und Anwendung). Dabei wird angenommen, dass der Pumpenwirkungsgrad während der Änderung annähernd konstant bleibt. Verdrängerpumpen fördern unabhängig vom Druck pro Umdrehung ein festes Flüssigkeitsvolumen. Ihr Förderstrom, ihre Förderhöhe und ihre Leistung folgen daher nicht dieser Beziehung mit zweiter und dritter Potenz – die Affinitätsgesetze gelten für Verdrängerpumpen schlicht nicht.

Die beiden häufigsten Anwendungen der Pumpenaffinitätsgesetze sind die Auslegung eines Frequenzumrichter-Nachrüstsatzes (VFD) und das Abdrehen eines überdimensionierten Laufrads. Im ersten Fall ist die Drehzahl die veränderliche Größe, im zweiten der Durchmesser. In beiden Fällen berechnen Ingenieure mit den Affinitätsgesetzen den neuen Förderstrom, die neue Förderhöhe und die neue Leistung, bevor sie sich für eine Nachrüstung entscheiden. Beide Fälle beruhen auf demselben Grundprinzip: Ein Ventilator, der dieselbe Aufgabe mit Luft erfüllt, folgt einer identischen Exponentenstruktur. Darauf gehen wir später in diesem Leitfaden ein. Welche Lösung für eine bestimmte Anwendung geeignet ist, hängt meist von den Nachrüstungskosten und dem verfügbaren Anpassungsbereich ab. Die Rechenbeispiele in diesem Leitfaden veranschaulichen diese Entscheidung.

„Bei Kreiselpumpenanwendungen ohne statische Förderhöhe ändert sich der Leistungsbedarf des Systems mit der dritten Potenz der Pumpendrehzahl. Schon kleine Verringerungen von Drehzahl oder Förderstrom können den Energieverbrauch deutlich senken. Eine Verringerung der Drehzahl (des Förderstroms) um 20 % kann den Leistungsbedarf beispielsweise um etwa 50 % senken.“

— U.S. Department of Energy, Merkblatt Nr. 11 zu Pumpensystemen

Das ist die gesamte wirtschaftliche Begründung für Pumpen mit variabler Drehzahl in einem einzigen Satz – er steht am Anfang eines staatlichen Leitfadens zur Energieeffizienz. Genau diesen Zusammenhang veranschaulichen die Rechenbeispiele mit realen Werten in diesem Artikel: mit konkreten Gallonen, Fuß und Pferdestärken statt einer glatten Prozentangabe. Der Leitfaden führt dieselbe Veranschaulichung weiter und rechnet die Affinitätsgesetze anhand tatsächlicher Betriebspunkte durch, statt nur die allgemeine Faustregel zu nennen.

Die 3 Formeln für Drehzahländerungen: Förderstrom, Förderhöhe und Leistung in Abhängigkeit von der Drehzahl

Die 3 Formeln für Drehzahländerungen: Förderstrom, Förderhöhe und Leistung in Abhängigkeit von der Drehzahl — BBP

Skalierungsbeziehungen einer Kreiselpumpe bei konstantem Laufraddurchmesser, wie vom DOE veröffentlicht: Der Förderstrom ist direkt proportional zur Drehzahl (N); die Förderhöhe ist proportional zum Quadrat der Drehzahl; die Leistung ist proportional zur dritten Potenz der Drehzahl. Anhand dieser 3 Beziehungen kann ein Ingenieur Förderstrom, Förderhöhe und Leistung bei jeder neuen Drehzahl ausgehend von einem einzigen bekannten Betriebspunkt vorhersagen, ohne die Pumpe bei dieser Drehzahl physisch zu testen.

Pumpenaffinitätsgesetze bei Drehzahländerung: Der Förderstrom steigt proportional, die Förderhöhe entsprechend dem Quadrat und die Leistung entsprechend der dritten Potenz des Drehzahlverhältnisses.
Größe Formel Exponent
Förderstrom, Q (gpm) Q2/Q1 = N2/N1 1 (linear)
Förderhöhe, H (ft) H2/H1 = (N2/N1)² 2 (quadratisch)
Leistung, P (hp) P2/P1 = (N2/N1)³ 3 (kubisch)

Was sind die 3 Affinitätsgesetze?

Die 3 Affinitätsgesetze sind das Förderstromgesetz (Q2/Q1=N2/N1), das Förderhöhengesetz (H2/H1=(N2/N1)²) und das Leistungsgesetz (P2/P1=(N2/N1)³). Ihre Bezeichnungen beziehen sich auf den jeweiligen Exponenten: linear, quadratisch und kubisch. Diese Exponenten sind keine willkürlichen Konventionen, sondern ergeben sich direkt aus der Strömungsmechanik eines rotierenden Laufrads.

Der Förderstrom durch ein Kreiselpumpenlaufrad hängt von der Tangentialgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der Laufradspitze ab, die proportional zur Drehzahl der Laufradwelle ist. Die Förderhöhe folgt dem Quadrat der Geschwindigkeit, da sich die Rotationsenergie des Laufrads über die Bernoulli-Gleichung in Druckhöhe umwandelt. Eine Verdopplung der Umfangsgeschwindigkeit ergibt somit etwa die vierfache Förderhöhe. Da die Leistung das Produkt aus Förderstrom und Förderhöhe ist, ergibt sich die dritte Potenz. Deshalb spart eine verringerte Pumpendrehzahl so viel Energie: Wird die Drehzahl auf vier Fünftel gesenkt (eine Reduzierung um 20 %), sinkt der Förderstrom lediglich um 20 %. Bevor die Leistung berechnet wird, kommt zur Verringerung des Förderstroms noch der Rückgang der Förderhöhe hinzu. So sinkt die Leistungsaufnahme annähernd um die Hälfte und nicht nur um 20 %.

📐 Technischer Hinweis

Diese Verhältnisse setzen voraus, dass die Flüssigkeit inkompressibel ist (also beispielsweise Wasser), sich der Pumpenwirkungsgrad bei einer Drehzahländerung kaum ändert und im System keine nennenswerte statische Förderhöhe vorliegt. Alles andere – etwa der Rohrdurchmesser, die Dichte der Flüssigkeit und der Bedarf der nachgeschalteten Verbraucher – bleibt konstant; nur die Drehzahl wird verändert. Im Abschnitt zu den Randbedingungen weiter unten wird erklärt, wann diese Voraussetzungen nicht erfüllt sind und wie sich das auf Ihre Berechnung auswirken kann.

Diese Gruppe von Exponenten gilt für jede Strömungspumpe im Anwendungsbereich von ANSI/HI 14,3-2024, sofern der Laufraddurchmesser nicht geändert wird (das ist das nächste Thema).

Rechenbeispiel: Laufrad abdrehen

Rechenbeispiel: Laufrad abdrehen — BBP

Das Abdrehen – also die spanende Verringerung des Außendurchmessers eines überdimensionierten Laufrads – kann kostengünstiger sein als die Nachrüstung eines VFD. Anders als bei einem Regelventil mit seinen Drosselverlusten werden die Verluste dabei vollständig beseitigt. Dieses Rechenbeispiel stammt aus einem veröffentlichten technischen Beispiel des Hydraulic Institute und ist kein theoretischer Fall.

Eine doppelsaugende Kreiselpumpe mit einem 14-Zoll-Laufrad wird über ein Drosselventil auf einen Förderstrom von 3.000 Gallonen pro Minute (gpm) Prozesskühlwasser eingestellt. Sie läuft 8.000 Stunden pro Jahr bei einer gedrosselten Förderhöhe von 165 Fuß und einem Pumpenwirkungsgrad von 80 %; die Leistungsaufnahme beträgt 156 hp. Wird der Druckverlust des Drosselventils beseitigt, zeigt die Anlagenkennlinie, dass derselbe Förderstrom von 3.000 gpm bereits bei einer Förderhöhe von 147 Fuß erreicht wird – eine Verringerung der Förderhöhe um 5,8 %. Bei konstantem Förderstrom lässt sich das Leistungsverhältnis nach dem Durchmesser auflösen:

Berechnung des Abdrehdurchmessers

D2 = D1 × (H2/H1)1/3 = 14 in × (147/165)1/3 = 13.47 in → auf 13.5 in abgedreht

P2 = (H2 × Q2) / (3.960 × η) = (147 × 3.000) / (3.960 × 0.80) = 139,2 hp

Unter der Annahme, dass die Belastung des Motors mit einem Wirkungsgrad von 94 % proportional sinkt: (156 − 139.2) hp × 0,746 kW/hp × 8.000 hr/yr ÷ 0.94 = 106.662 kWh/Jahr eingespart. Bei $0.12/kWh entspricht das $12.800 pro Jahr.

Die Durchmesseränderung durch das Abdrehen beträgt nur 3,6 % (von 14 in auf 13.5 in) und liegt damit deutlich innerhalb der im Abschnitt zu den Randbedingungen weiter unten genannten Grenze für das Abdrehen gemäß Affinitätsregel. Genau deshalb lässt sich die Berechnung des Hydraulic Institute in diesem Fall problemlos anwenden.

Eine Laufradbearbeitung um 3,6 %, mit der sich pro Jahr 106.662 kWh einsparen lassen, zeigt, warum Abdrehen wirtschaftlicher ist als Drosseln: kein VFD-Kauf, keine Integration der Steuerung, sondern lediglich ein spanend bearbeitetes Gussteil und jährliche Energiekosten von $12.800, die entfallen (Quelle: Hydraulic Institute).

Rechenbeispiel: Drehzahländerung mit VFD und Einsparungen nach dem kubischen Gesetz

Rechenbeispiel: Drehzahländerung mit VFD und Einsparungen nach dem kubischen Gesetz — BBP

In einem von Pumps & Systems veröffentlichten Rechenbeispiel (Mark Berube, AutomationDirect.com) fördert eine dreiphasige Pumpe mit 15 hp bei konstanter Drehzahl von 1.750 rpm 200 gpm bei einer Förderhöhe von 120 Fuß und nimmt dabei 10 hp auf. Ein Drosselventil begrenzt den Förderstrom normalerweise auf 100 gpm, also 50 % der Kapazität. Das gilt für 90 % der Betriebsstunden der Pumpe und ist ein typischer Fall einer Überdimensionierung.

Wird das Drosselventil durch einen VFD ersetzt und die Drehzahl auf den Zielwert von 50 % des Förderstroms gesenkt, greifen alle 3 Affinitätsverhältnisse gleichzeitig: Der Förderstrom sinkt linear auf 50 %, die Förderhöhe auf 25 % (0.5²) und der Leistungsbedarf auf 12,5 % (0.5³) des Werts bei voller Drehzahl und diesem reduzierten Betriebspunkt. Bei 4.160 Betriebsstunden pro Jahr und $0.12/kWh sinkt der jährliche Energieverbrauch – bei 90 % der Stunden mit reduzierter Drehzahl und 10 % weiterhin mit vollem Förderstrom – von 21 Megawattstunden (gedrosselt) auf 8 Megawattstunden (mit VFD geregelt). Das entspricht einer Einsparung von $1.589 bzw. 62,4 % der ursprünglichen Energiekosten. Die $1.589 betreffen ausschließlich die Energiekosten. Kosten für den Antrieb, die Installation, die Steuerung und die Inbetriebnahme erhöhen die tatsächlichen Projektkosten. Die Amortisationszeit hängt vom gesamten installierten System ab und nicht allein vom Preis des Antriebs laut Typenschild. Unser Leitfaden zur Berechnung des ROI von Energieeinsparungen durch VFD-Pumpen erläutert die vollständige Berechnung von Kosten und Amortisation.

Über verschiedene Drehzahlreduzierungen hinweg ergibt sich aus demselben Zusammenhang nach dem kubischen Gesetz der unten gezeigte Multiplikator für Einsparungen. Die Berechnung gilt somit sowohl für ein Nachrüstziel mit 10 % Reduzierung als auch für eine Drehzahlabsenkung um 50 %.

Multiplikator für Einsparungen nach dem kubischen Gesetz – Verringerung der Pumpendrehzahl im Vergleich zu den daraus folgenden Rückgängen bei Förderstrom, Förderhöhe und Leistung (bei konstantem Laufraddurchmesser).
Drehzahlreduzierung Verringerung des Förderstroms Verringerung der Förderhöhe Verringerung der Leistung
5%5.0%9.8%14.3%
10%10.0%19.0%27.1%
15%15.0%27.8%38.6%
20%20.0%36.0%48,8 % (DOE: ~50 %)
25%25.0%43.8%57.8%
30%30.0%51.0%65.7%
35%35.0%57.8%72.6%
40%40.0%64.0%78.4%
50%50.0%75.0%87.5%

Beachten Sie, wie schnell der Abstand wächst: Eine Verringerung der Drehzahl um 20 % senkt den Förderstrom nur um ein Fünftel, aber die Energiekosten um etwa die Hälfte. Bei 50 % erreicht die Leistungsreduzierung (87,5 %) bereits fast die gesamte Belastung. Dieser zunehmende Abstand zwischen der Verringerung des Förderstroms und der Leistungsreduzierung ist das zentrale wirtschaftliche Argument für einen VFD gegenüber einem Drosselventil. Er erklärt auch, warum schon eine leichte Überdimensionierung der Pumpe unverhältnismäßig viel Energie verschwendet. Wer die Anschaffungskosten des VFD gegen diese Kennlinie abwägt, kann die vollständige Amortisationsrechnung in unserem Leitfaden zur Berechnung des ROI von Energieeinsparungen durch VFD-Pumpen nachvollziehen.

Kombiniertes Rechenbeispiel: Drehzahl- und Durchmesseränderungen zusammenführen

Kombiniertes Rechenbeispiel: Drehzahl- und Durchmesseränderungen zusammenführen — BBP

Bei realen Nachrüstungen werden manchmal beide Größen zugleich geändert: Das Laufrad wird teilweise abgedreht und die Drehzahl zugleich über einen VFD reduziert. Es folgt eine Reihe kombinierter Rechenbeispiele mit Drehzahl- und Durchmesseränderungen. Dabei werden zwei Effekte nacheinander kombiniert, aber nur unter einer bestimmten Voraussetzung: Jede einzelne Änderung muss innerhalb ihres eigenen begrenzten Gültigkeitsbereichs bleiben (für das Abdrehen gelten dieselben Richtlinien des Hydraulic Institute wie im vorigen Beispiel), und der Pumpenwirkungsgrad muss für beide Schritte als annähernd konstant angesetzt werden. Werden zwei große Änderungen unabhängiger Größen miteinander multipliziert, summieren sich ihre jeweiligen Schätzfehler. Die Methode eignet sich daher als Planungsschätzung und ersetzt keine kombinierte Kennlinie des Herstellers.

Eine Pumpe läuft mit 1.800 rpm und einem 10-Zoll-Laufrad. Sie fördert 500 gpm bei einer Förderhöhe von 200 Fuß und nimmt 35 hp auf. Zuerst wird die Drehzahl bei konstantem Durchmesser um 15 % auf 1.530 rpm gesenkt:

Q2 = 500 × (1,530/1,800) = 425 gpm  |  H2 = 200 × (1,530/1,800)² = 144,5 ft  |  P2 = 35 × (1,530/1,800)³ = 21,5 hp

Anschließend wird das Laufrad bei der neuen, reduzierten Drehzahl um 4 % abgedreht. Das liegt innerhalb der Grenze von 5 % gemäß Affinitätsregel; der Durchmesser wird von 10 in auf 9.6 in verringert:

Q3 = 425 × (9.6/10) = 408 gpm  |  H3 = 144,5 × (9.6/10)² = 133,2 ft  |  P3 = 21,5 × (9.6/10)³ = 19,0 hp

Zusammen führen diese beiden Änderungen die Pumpe von 500 gpm/200 ft/35 hp auf 408 gpm/133 ft/19.0 hp. Die Leistung sinkt um 45,7 %. Dafür sorgen zwei vorsichtige, jeweils eigenständig begrenzte Anpassungen statt einer aggressiven Änderung, die für sich genommen entweder den zulässigen Drehzahländerungsbereich oder die Grenze für das Abdrehen überschreiten würde. Die Reihenfolge ist bewusst gewählt: Wer denselben Betriebspunkt stattdessen mit einem einzigen Abdrehen des Laufrads um mehr als 20 % erreichen wollte, läge weit außerhalb des Bereichs, für den die Formeln in diesem Artikel geprüft wurden.

✔ Wann sich Änderungen kombinieren lassen
  • Jeder einzelne Schritt bleibt innerhalb seines Gültigkeitsbereichs (mäßige Drehzahländerung, Abdrehen ≤5 %)
  • Die Schritte werden nacheinander angewendet, nicht als großer gleichzeitiger Sprung
  • Das Ergebnis gilt als Planungsschätzung und muss noch überprüft werden
⚠ Wann es nicht funktioniert
  • Eine der beiden Änderungen überschreitet für sich genommen ihre Genauigkeitsgrenze
  • Trotz starkem Abdrehen wird von einem unveränderten Wirkungsgrad ausgegangen
  • Die abschließende Schätzung wird nicht anhand einer Herstellerkennlinie auf Plausibilität geprüft

Wie die Affinitätsgesetze die Pumpenkennlinie und den Betriebspunkt verschieben

Wie die Affinitätsgesetze die Pumpenkennlinie und den Betriebspunkt verschieben — BBP

Der Betriebspunkt einer Pumpe liegt dort, wo sich ihre Kennlinie und die Anlagenkennlinie schneiden. Die Anlagenkennlinie beschreibt, welche Förderhöhe Rohrleitung und Prozess bei jedem Förderstrom erfordern. Die Affinitätsgesetze verschieben die gesamte Pumpenkennlinie auf eine neue Kennlinie, die sich aus einer anderen Drehzahl oder einem abgedrehten Laufrad ergibt. Die Anlagenkennlinie bleibt jedoch unverändert. Der neue Betriebspunkt liegt dort, wo die verschobene Kennlinie sie schneidet.

Die Verschiebung erfolgt dynamisch als Reaktion auf Änderungen des Förderstroms, der Drehzahl oder des Durchmessers: Jeder Punkt der ursprünglichen Kennlinie wird im selben Verhältnis skaliert und ergibt so die neue Kennlinie. Entlang dieser Kennlinie steigt oder fällt die Förderhöhe, wenn der Förderstrom zunimmt oder abnimmt.

Das ist vor allem für den Bestpunkt (BEP) und allgemein für die Pumpenleistung wichtig. Da die Wirkungsgradlinien einer Pumpenkennlinie bei einer Drehzahlanpassung nur annähernd, aber nicht vollständig erhalten bleiben, kann eine Pumpe deutlich außerhalb ihres Wirkungsgradbereichs laufen, wenn sie weit unterhalb des angegebenen Drehzahlbereichs betrieben oder stark abgedreht wird – selbst wenn Förderstrom und Förderhöhe rechnerisch stimmen. Wer einen neuen Betriebspunkt von Grund auf auslegt, kann mit unserem Betriebspunkt-Auswahltool für Kreiselpumpen reale Werte eingeben und sehen, wo eine bestimmte Kombination aus Förderstrom und Förderhöhe tatsächlich liegt.

Kurz gesagt: Die Formeln der Affinitätsgesetze erfassen die Bewegung der Pumpenkennlinie infolge von Änderungen. Nur eine echte Anlagenkennlinie – aus statischer Förderhöhe, Reibungsverlusten und etwaigem Druckabfall am Regelventil – kann genau zeigen, wohin sich der Betriebspunkt verschiebt und wie sich der Druck bei steigendem oder fallendem Förderstrom ändert.

Wann die Affinitätsgesetze an ihre Grenzen stoßen: Die 5 %-Grenze für das Abdrehen nach Affinitätsregel

Wann die Affinitätsgesetze an ihre Grenzen stoßen: Die 5 %-Grenze für das Abdrehen nach Affinitätsregel — BBP

Die Affinitätsgesetze liefern lediglich Näherungswerte. Jede maßgebliche Referenz, die sie aufführt, warnt auch davor, sie außerhalb der Grenzen anzuwenden, innerhalb derer das Ergebnis hinreichend zuverlässig ist. Werden diese Grenzen überschritten, kann es zu Problemen und Rückfragen kommen – selbst wenn die Berechnung völlig „korrekt“ ist.

Grenzen der Anwendbarkeit der Pumpenaffinitätsgesetze: 9 Bedingungen und was zu tun ist, wenn die Formeln allein nicht ausreichen.
Bedingungstyp Gültigkeit der Affinitätsgesetze Grenzen / ungeeignet für
Laufrad um ≤5 % des Durchmessers abdrehenGültig – Berechnung nach Affinitätsregel vom HI anerkanntUngeeignet, um bei kritischen Anwendungen die Prüfung anhand einer Herstellerkennlinie zu überspringen
Laufrad um 5–25 % abdrehenZunehmend unzuverlässig – mit größerem Spaltmaß nehmen Wirkungsgradverluste zuOhne die tatsächliche Abdrehkennlinie des Herstellers ungeeignet
Abgedrehter Durchmesser <75% des MaximumsGemäß den Richtlinien des Hydraulic Institute nicht zulässigVöllig ungeeignet – führt zu Instabilität; stattdessen ein anderes Laufrad bzw. eine andere Pumpe auswählen
Drehzahländerung bei konstantem Durchmesser und vernachlässigbarer statischer FörderhöheGemäß den Richtlinien des DOE zuverlässigUngeeignet für Systeme, in denen die statische Förderhöhe die Anlagenkennlinie dominiert
Im System liegt eine erhebliche statische Förderhöhe vorAllein anhand der Affinitätsverhältnisse lässt sich der neue Betriebspunkt nicht genau berechnenUngeeignet – zuerst die Anlagenkennlinie erstellen bzw. heranziehen
Erforderliche positive Zulaufhöhe (NPSHR) bei neuer Drehzahl bzw. nach dem AbdrehenLässt sich nicht aus den Affinitätsgesetzen ableitenUngeeignet – NPSHR-Daten in Abhängigkeit von der Drehzahl direkt beim Pumpenhersteller anfordern
Kombinierte Drehzahl- und AbdrehänderungenNur gültig, wenn jede einzelne Änderung innerhalb ihres Bereichs bleibt und der Wirkungsgrad annähernd konstant istUngeeignet bei großen gleichzeitigen Änderungen beider Größen
VerdrängerpumpenNicht anwendbar – andere maßgebliche physikalische ZusammenhängeFür Verdrängerpumpen völlig ungeeignet; stattdessen spezielle Auslegungsverfahren für Verdrängerpumpen verwenden
Starke Drehzahlabsenkung mit VFD (deutlich unterhalb des Förderstroms am Bestpunkt)Die Affinitätsberechnung liefert weiterhin einen Zahlenwert, berücksichtigt aber den Mindestförderstrom für einen stabilen Betrieb nichtUnterhalb des vom Hersteller angegebenen Mindestförderstroms für einen dauerhaft stabilen Betrieb ungeeignet – siehe die unten erläuterte Regel zur Mindestdrehzahl

Zwei dieser Tabellenzeilen stammen aus demselben Dokument des Hydraulic Institute, aus dem auch das Beispiel zum Abdrehen des Laufrads weiter oben stammt: Die Berechnung nach Affinitätsregel ist nur bis zu einer Durchmesserreduzierung von 5 % zugelassen; außerdem gilt eine feste Untergrenze von 75 % des maximalen Durchmessers. Diese Grenze unterscheidet sich von der naheliegenden Annahme vieler Ingenieure, man könne das Laufrad beliebig weit abdrehen, bis es zur Anlagenkennlinie passt. Das Dokument weist auch ausdrücklich darauf hin, dass sich der NPSHR-Wert „durch Abdrehen ändern kann“ und deshalb aus genauen Herstellerdaten stammen muss, statt aus den Verhältnisformeln abgeleitet zu werden. Ein US-Patent (US7945411B2) zu einem Verfahren zur sensorlosen Schätzung des Pumpenförderstroms führt aus der Sicht der Regelungstechnik einen ähnlichen Punkt an: Der Koeffizient zur Leistungsschätzung nach den Affinitätsgesetzen „führt häufig je nach Betriebsdrehzahl, Größe und spezifischer Drehzahl der Pumpe zu einer Über- oder Unterschätzung der Leistung“. Genau deshalb wurde das Patent entwickelt: um diese Abweichung zu korrigieren, statt sich auf das reine Verhältnis zu verlassen.

Regel zur Mindestdrehzahl: Eine mit VFD betriebene Pumpe sollte nicht dauerhaft mit so niedriger Drehzahl laufen, dass der Förderstrom weit unter den Bereich ihres Bestpunkts sinkt. Denn bei sinkendem Förderstrom steigen interne Rezirkulation, radiale Wellenbelastung und das Risiko örtlich begrenzter Kavitation. Nichts davon weisen die Formeln der Affinitätsgesetze aus, da sie nur Förderstrom, Förderhöhe und Leistung erfassen, nicht aber die Strömungsverhältnisse im Inneren. Der Mindestförderstrom für einen dauerhaft stabilen Betrieb ist pumpenspezifisch und gehört auf die Herstellerkennlinie; er sollte nicht anhand einer prozentualen Faustregel geschätzt werden.

Ein Vorbehalt zu technischen Referenzen sollte erwähnt werden und bestätigt sich bei näherer Betrachtung: In einigen älteren Texten wird zwischen „Affinitätsregeln“ (den oben gezeigten Formeln für Gehäuse und Abdrehen, bei denen der Laufraddurchmesser bei konstantem Gehäuse geändert wird) und einer anderen Gruppe von „Ähnlichkeitsgesetzen“ unterschieden. Für Letztere gelten andere Exponenten (Q~D³, H~D², P~D⁵); sie sind nur anwendbar, wenn vollständig unterschiedliche, geometrisch ähnliche Pumpenkonstruktionen mit stark abweichenden Durchmessern verglichen werden. Diese zweite Gruppe ist für die in diesem Artikel behandelten Fälle mit nur einer Pumpe und abgedrehtem Laufrad nicht relevant. Sie wird nur erwähnt, damit die abweichenden Zahlen für das Abdrehen in älteren Nachschlagewerken nicht zu Verwirrung führen.

Ventilatorgesetze und Pumpenaffinitätsgesetze

Ventilatorgesetze im Vergleich zu den Ähnlichkeitsgesetzen der Pumpe — BBP

Ob Pumpe oder Ventilator: Beide folgen diesen Gesetzen, denn die grundlegende Strömungsphysik rotodynamischer Maschinen – das Laufrad beziehungsweise die Schaufeln übertragen Energie auf das Fluid – ist bei Wasser und Luft gleich: Der Förderstrom steigt proportional zur Drehzahl, der Druck mit ihrem Quadrat und die Leistung mit ihrer dritten Potenz. Was HLK-Fachleute als „Ventilatorgesetze“ bezeichnen, hat dieselbe Exponentenstruktur wie die oben dargestellten Ähnlichkeitsgesetze der Pumpe.

Sie lassen sich jedoch nicht ohne Weiteres gegeneinander austauschen. Ventilatoren bewegen ein kompressibles Fluid wie Luft statt einer weitgehend inkompressiblen Flüssigkeit wie Wasser. Deshalb müssen neben der Gasdichte weitere Ähnlichkeitsbedingungen berücksichtigt werden, die sich aus dem kompressiblen Arbeitsfluid ergeben und bei der Förderung von Flüssigkeiten nicht auftreten. Wenn ein Ingenieur den Antrieb mit variabler Drehzahl (ASD) für eine Lüftungsanlage anhand der Ventilatorgesetze auslegt, arbeitet er zwar mit derselben Exponentenstruktur wie bei den hier behandelten Pumpenformeln. Dabei ist jedoch Sorgfalt geboten: Die Empfehlungen sollten sich auf bewährte Verfahren für Ventilatoren stützen, etwa auf die von AMCA veröffentlichten Normen zu Ventilatorgesetzen, und die Auswirkungen der Gaseigenschaften berücksichtigen.

Warum die Drehzahlregelung heute wichtiger ist

Warum die Drehzahlregelung heute wichtiger ist — BBP

Die zunehmende Verbreitung von VFD macht die Drehzahlregelung vom optionalen Nachrüstsatz zur Standardspezifikation neuer Kreiselpumpenpakete. Ingenieure können so die Pumpenleistung bei steigender oder sinkender Nachfrage fein abstimmen, statt ein Aggregat mit fester Drehzahl zu drosseln. Die zugrunde liegenden Berechnungen nach den Ähnlichkeitsgesetzen sind heute wichtig, weil Ingenieure damit Einsparungsangaben von Anbietern plausibilisieren können, statt sie ungeprüft zu übernehmen.

Energieeffizienzprogramme der Industrie und Förderprogramme von Versorgungsunternehmen setzen Pumpen mit variabler Drehzahl immer häufiger voraus, statt sie als Aufrüstung zu behandeln. Die Kosteneffizienz-Schwellenwerte des DOE – Pumpen über 15-30 hp, die mindestens 2 000 Stunden pro Jahr laufen – erfassen bereits einen großen Teil der installierten Industriepumpen.

Zur Einordnung: Der Markt für Frequenzumrichter soll von etwa $27,31 Milliarden im Jahr 2025 auf $45,60 Milliarden bis 2035 wachsen. Das entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 5,26 % (SNS Insider). Als Wachstumstreiber wird unter anderem die Nachfrage nach energieeffizienten Pumpen und HLK-Anlagen genannt. Diese Entwicklung stimmt in der Tendenz mit dem Anstieg des Interesses am Suchbegriff „variable speed motor“ überein, das laut der Keyword-Recherche für diesen Artikel nach einem monatlichen Tiefstand von 1.300 bis 1.900 Suchanfragen wieder zunahm. Für Betriebsingenieure bedeutet das in der Praxis: Bei neuen Pumpenspezifikationen wird eine Drehzahlregelung mit VFD zunehmend vorausgesetzt. Es lohnt sich daher, die Berechnungen nach den Affinitätsgesetzen so gut zu kennen, dass sich die Einsparprognose eines Anbieters plausibilisieren lässt, statt sie ungeprüft zu übernehmen.

Häufig gestellte Fragen

F: Was sind die Ähnlichkeitsgesetze der Pumpe?

Die Ähnlichkeitsgesetze der Pumpe umfassen drei Verhältnisformeln. Sie beschreiben, wie sich Förderstrom, Förderhöhe und Leistung einer rotodynamischen Pumpe mit der Drehzahl oder dem Laufraddurchmesser ändern: proportional, mit dem Quadrat beziehungsweise mit der dritten Potenz des jeweiligen Verhältnisses.
Der Förderstrom skaliert direkt (Exponent 1) mit dem Verhältnis der Drehzahlen oder Durchmesser, die Förderhöhe mit dessen Quadrat (Exponent 2) und die Leistung mit dessen dritter Potenz (Exponent 3). Diese Zusammenhänge für Drehzahländerungen sind im DOE Pumping Systems Tip Sheet #11 und für Durchmesseränderungen in den technischen Empfehlungen des Hydraulic Institute im Geltungsbereich von ANSI/HI 14,3-2024 dokumentiert. Sie gelten für Kreiselpumpen, Mischstrompumpen und Axialpumpen, nicht jedoch für Verdrängerpumpen.

F: Was ist das Ähnlichkeitsgesetz einer Pumpe?

Jedes einzelne Ähnlichkeitsgesetz ist eine von drei Verhältnisgleichungen: für Förderstrom, Förderhöhe oder Leistung in Abhängigkeit von Drehzahl oder Durchmesser. Es gibt also keine einzelne Formel. Welche gemeint ist, hängt vom Zusammenhang ab – bei Energieeinsparungen meist die Leistung, bei der Auslegung der Förderstrom oder die Förderhöhe.
Mit dem Leistungsgesetz ist meist die folgende Formel gemeint: P2/P1 = (N2/N1)³. Sie beschreibt das Verhältnis, das den VFD-Amortisationsberechnungen zugrunde liegt.

F: Wie hängen Frequenzumrichter mit dem Ähnlichkeitsgesetz für Kreiselpumpen zusammen?

Ein VFD regelt die Pumpendrehzahl. Die Affinitätsgesetze beschreiben mathematisch, wie sich eine Drehzahländerung auf Förderstrom, Förderhöhe und Leistung auswirkt.
Ohne VFD wird ein geringerer Förderstrombedarf üblicherweise durch Drosseln mit einer Regelarmatur ausgeglichen. Dabei geht Energie verloren, die sich den Affinitätsgesetzen zufolge durch einfaches Absenken der Pumpendrehzahl einsparen ließe. Mit einem VFD können Ingenieure den Drehzahlterm in den Gleichungen der Affinitätsgesetze direkt beeinflussen. Deshalb behandelt das DOE VFDs (oder drehzahlvariable Antriebe) und die Affinitätsgesetze gemeinsam in einem Leitfaden. BBP integriert diese Drehzahlregelung in seine Baureihe für Kreiselpumpen zur Wasserförderung.

F: Was sind die drei grundlegenden Ventilatorgesetze?

Die Ventilatorgesetze entsprechen in ihrer Struktur den Ähnlichkeitsgesetzen der Pumpe: Der Luftstrom skaliert proportional zum Verhältnis der Ventilatordrehzahlen, der Druck mit dessen Quadrat und die Leistung mit dessen dritter Potenz.
Die Exponentenstruktur entspricht genau derjenigen der Pumpengleichungen, weil beide beschreiben, wie rotodynamische Bewegung Energie auf ein Fluid überträgt. Berechnungen nach den Ventilatorgesetzen müssen jedoch zusätzlich die Gasdichte und Kompressibilität berücksichtigen. Diese Einflüsse treten bei Pumpenberechnungen für Flüssigkeiten nicht auf. Deshalb sollten HLK-Fachleute, die den Antrieb mit variabler Drehzahl für eine Lüftungsanlage auslegen, weiterhin die spezifischen Empfehlungen für Ventilatoren heranziehen, etwa die veröffentlichten Ventilatornormen von AMCA, statt beide Berechnungsansätze als vollständig gleichwertig zu behandeln.

F: Gelten die Ähnlichkeitsgesetze für alle Pumpenarten?

Nein. Die Ähnlichkeitsgesetze gelten nur für rotodynamische Pumpen (Kreiselpumpen, Mischstrompumpen und Axialpumpen), nicht für Verdrängerpumpen. Diese fördern pro Umdrehung ein festes Volumen und werden nach einer völlig anderen Methode ausgelegt.
Verdrängerpumpen fördern unabhängig vom erzeugten Druck pro Umdrehung ein festes Flüssigkeitsvolumen. Daher folgen ihr Förderstrom und ihre Leistungsaufnahme in Abhängigkeit von der Drehzahl nicht denselben quadratischen und kubischen Zusammenhängen, die in diesem Artikel behandelt werden. Für die Auslegung einer Verdrängerpumpe bei einer neuen Drehzahl ist eine völlig andere, auf dem Verdrängungsvolumen beruhende Berechnungsmethode erforderlich.

Warum wir diesen Leitfaden verfassen

BBP fertigt Kreisel-, Split-Case-, mehrstufige und Schlammpumpen für Kunden aus Bergbau, Abwassertechnik, HVAC und chemischer Verfahrenstechnik. Unser Engineering-Team beantwortet regelmäßig Fragen zu Laufradabtrag und VFD-Auslegung. Dieser Leitfaden verwendet dieselben Berechnungen nach den Ähnlichkeitsgesetzen, die unser Team mit Kunden durchgeht, wenn sich ein Betriebspunkt nach der Inbetriebnahme ändert. Er stützt sich auf tatsächliche Zahlen des Hydraulic Institute, des DOE und der Fachpresse statt auf eine grob gerundete Faustregel, sodass Ingenieure unsere Berechnungen direkt anhand der Primärquellen prüfen können.

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WARUM KÄUFER MIT BBP ZUSAMMENARBEITEN
Über BBP Manufacturing

BBP Manufacturing Co., Ltd. ist ein in Peking ansässiger Hersteller von Industriepumpen mit eigener Gießerei sowie Kompetenzen in Wärmebehandlung, mechanischer Bearbeitung, Montage, Beschichtung und Prüfung. Wir unterstützen Industrieprojekte in den Bereichen Feststoffförderung, Abwasserbehandlung, Klarwasserförderung, Chemie, Brandschutz, Bewässerung und OEM-Pumpenversorgung.

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Unternehmensprofil // DATENBLATT
Name BBP Manufacturing Co., Ltd.
Markenname BBP
Land China
Hauptsitz Peking, Volksrepublik China
Unternehmenstyp Hersteller von Industriepumpen
Geschäftsmodell B2B / OEM / ODM / Projektlieferung
Hauptprodukte Schlammpumpen, Abwasserpumpen, Kreiselpumpen, Pumpen mit axial geteiltem Gehäuse, mehrstufige Pumpen, Chemiepumpen, Feuerlöschpumpen, Bewässerungspumpen
Fertigungskompetenzen Gießerei, Wärmebehandlung, mechanische Bearbeitung, Montage, Beschichtung, Prüfung
Zertifizierungen ISO 9001 / CE / SGS / BV / TÜV
Exportreichweite Mehr als 90 Länder und Regionen
Standardlieferzeit Etwa 25 Tage bei Standardkonfigurationen
Ansprechpartner Wesley · Internationaler Vertrieb
Telefon / WhatsApp +86 182 1085 0516
Adresse Raum 2803, Gebäude 11, Phase II, Nuode Center, Bezirk Fengtai, Peking, Volksrepublik China