Axialpumpe: Umfassender Leitfaden zu Theorie, Typen und Anwendungen

Eine Axialpumpe bewegt Wasser ähnlich wie ein Bootspropeller ein Boot antreibt: Das Laufrad dreht sich in einem Rohr, und das Fördermedium strömt parallel zur Welle, statt wie bei einer Kreiselpumpe nach außen geschleudert zu werden. Durch diese geänderte Geometrie eignen sich Axialpumpen für einen bestimmten Betriebsbereich: sehr hohe Förderströme bei sehr geringer Förderhöhe. Für Kreiselpumpen ist dieser Bereich ungeeignet. Dieser Leitfaden erklärt, was eine Axialpumpe ist, wie der Propellermechanismus Druck erzeugt, wie sie anhand der spezifischen Drehzahl von anderen rotodynamischen Pumpen abgegrenzt wird, wie sich NPSH und Kavitation verhalten, welche Bauformen üblich sind, in welchen Branchen diese Bauart eingesetzt wird und wie Sie bei der Auswahl einer Axialpumpe in fünf Schritten vorgehen.

Was ist eine Axialpumpe?

Eine Axialpumpe (englisch auch axial-flow pump) ist eine rotodynamische Pumpe, bei der sich das Fördermedium parallel zur Welle bewegt. Dafür sorgt ein propellerartiges Axiallaufrad in einem rohrförmigen Pumpengehäuse. Da das Fördermedium entlang derselben Achse in das Laufrad ein- und aus ihm austritt, gibt es keine radiale Strömungskomponente. Das ist ein grundlegender Unterschied zu Kreiselpumpen, bei denen das Laufrad das Fördermedium entlang radialer Schaufeln nach außen schleudert. In der vom Hydraulic Institute veröffentlichten Taxonomie rotodynamischer Pumpen (ANSI/HI 1,1-1,2) werden Pumpen anhand ihrer spezifischen Drehzahl (Ns) klassifiziert. Kreiselpumpen liegen am unteren Ende des Bereichs, Axialpumpen am oberen und Mischstrompumpen dazwischen. In der Praxis bedeutet das: Jeder Pumpentyp eignet sich besonders für einen anderen Bereich des Kennfelds aus Förderstrom und Förderhöhe. Eine Kreiselpumpe ist für hohe Förderhöhen bei mäßigem Förderstrom geeignet, eine Axialpumpe für das Gegenteil: sehr hohen Förderstrom bei geringer Förderhöhe. Eine Axialpumpe wird auch als Propellerpumpe bezeichnet, weil ihr Laufrad einem Bootspropeller ähnelt, oder als Krümmerpumpe. Dieser Begriff wird von Sulzer und in Teilen Europas verwendet und bezieht sich auf das krümmerförmige Druckstutzengehäuse, das bei vielen vertikalen Bauformen üblich ist. Alle drei Bezeichnungen meinen dieselbe Pumpenklasse.

Wie funktioniert eine Axialpumpe? Die mechanischen Grundlagen

Im Pumpengehäuse dreht sich ein Laufrad mit 3 bis 6 angewinkelten Schaufeln auf einer Welle, die von einem Motor oder einer Maschine angetrieben wird. Die Schaufelgeometrie ähnelt eher einem Flugzeugflügel als einer Kreiselpumpenschaufel: Jede Schaufel hat eine Druck- und eine Saugseite. Bei der Drehung erzeugt sie nach demselben Tragflächenprinzip wie ein Flugzeugflügel Auftrieb. Dieser Auftrieb wirkt entlang der Achse und schiebt das Fördermedium durch das Gehäuse. Hinter dem Laufrad nehmen feststehende Leitschaufeln (auch Diffusorschaufeln genannt) die Drallkomponente der Strömung auf und wandeln sie in zusätzlichen Druck um. Zusammen erzeugen der Auftrieb der Schaufeln und die Umwandlung von Geschwindigkeit in Druck die Gesamtförderhöhe der Axialpumpe. Bei einer einstufigen Pumpe beträgt sie typischerweise 2–15 m. Das ist im Vergleich zu einer mehrstufigen Kreiselpumpe gering, wird aber mit einem sehr großen Strömungsquerschnitt kombiniert, durch den mehrere tausend Kubikmeter pro Stunde durch dasselbe Gehäuse fließen können. Die Schaufelsteigung, also der Winkel, in dem die Schaufeln auf die anströmende Flüssigkeit treffen, ist eine der wichtigsten Stellgrößen. Laufräder mit festem Schaufelwinkel werden für einen Betriebspunkt gefertigt. Bei verstellbaren Ausführungen kann das Betriebspersonal jede Schaufel bei stillstehender Pumpe um ihre eigene Achse drehen. Dadurch verschiebt sich die Kennlinie, sodass eine Pumpe mehrere Betriebspunkte abdecken kann, etwa den Bewässerungsbedarf im Sommer und im Winter. Der Preis dieser Flexibilität: eine komplexere Nabe und ein geringfügig niedrigerer Spitzenwirkungsgrad.

Spezifische Drehzahl und Kennlinien: Was Axialpumpen unterscheidet

Die spezifische Drehzahl (Ns) ist die Kennzahl, anhand derer Ingenieure entscheiden, ob für einen bestimmten Betriebspunkt eine Kreisel-, Mischstrom- oder Axialpumpe ausgewählt werden sollte. In US-Einheiten lautet die Formel Ns = N·√Q / H^0.75, wobei N die Wellendrehzahl in rpm, Q der Förderstrom in gpm und H die Förderhöhe in Fuß ist.

• Kreiselpumpen: Ns ≈ 500–4.000
• Mischstrompumpen: Ns ≈ 4.000–9.000
• Axialpumpen: Ns ≈ 9.000–15.000

Die Form der Kennlinie ändert sich mit Ns. Bei einer Axialpumpe fällt die Förderhöhen-Förderstrom-Kennlinie steil ab, wenn der Förderstrom sinkt. Noch überraschender: Die Kurve der Bremsleistung (BHP, üblicherweise in hp angegeben) steigt, wenn der Förderstrom sinkt. Bei Kreiselpumpen ist es umgekehrt: Dort steigt die BHP mit dem Förderstrom. Bei einer Industrieanlage bestimmt diese umgekehrte Kennlinie die Auswahl des Motors und die Auslegung des hydraulischen Antriebsstrangs. Für den Betrieb heißt das: Wird eine Axialpumpe bis zum Absperrpunkt gedrosselt, steigt die Stromaufnahme des Motors und es besteht Überlastungsgefahr. Eine Studie aus dem Jahr 2022 in Nature Scientific Reports zu den hydrodynamischen Eigenschaften von Axialpumpensystemen nutzte CFD und Tests im Originalmaßstab, um Druckpulsationen und das Strömungsfeld bei nicht optimalen Betriebsbedingungen zu erfassen. Sie bestätigte, dass Axialpumpen nur in einem relativ engen Bereich um ihren Punkt des besten Wirkungsgrads (BEP) arbeiten, bevor die hydraulische Leistung nachlässt. Axialpumpen der Spitzenklasse erreichen am BEP einen Wirkungsgrad von 75–85 %. Außerhalb dieses Optimums sinkt der Wirkungsgrad auf beiden Seiten deutlich.

NPSH und Kavitation bei Axialpumpen

Die erforderliche Zulaufhöhe (NPSH) gibt an, ob eine Pumpe das Fördermedium ansaugen kann, ohne dass der Ansaugdruck unter den Dampfdruck fällt. Sinkt er darunter, bilden sich Dampfblasen, die am Laufrad implodieren: Es kommt zu Kavitation. Dadurch wird das Schaufelmetall abgetragen, der Geräuschpegel steigt, der Wirkungsgrad sinkt und schließlich fällt das Laufrad aus. Axialpumpen reagieren empfindlicher auf NPSH als Kreiselpumpen mit vergleichbarem Förderstrom. Der Grund liegt in der Geometrie: Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit am Einlass des Axiallaufrads ist höher als am Einlass einer Kreiselpumpe. Dadurch sinkt der Absolutdruck, und die Flüssigkeit kommt ihrem Dampfdruck näher. Die typischen NPSHr-Werte (erforderliche NPSH) von Axialpumpen liegen im Bereich von 4–8 m, verglichen mit 2–4 m bei Kreiselpumpen für vergleichbare Betriebspunkte. Drei Auslegungsentscheidungen helfen, das Kavitationsrisiko zu verringern und einen stabilen Betrieb der Axialpumpe sicherzustellen:

• Ausreichende Eintauchtiefe — halten Sie das Laufrad mindestens in dem vom Hersteller vorgegebenen vertikalen Abstand unter der freien Oberfläche.
• Saugtrichtergeometrie — ein sich allmählich erweiternder Einlass verringert die Eintrittsverluste.
• Kavitationsbeständiger Werkstoff für das Laufrad — nichtrostende Stahlsorten 304, 316 oder CF3M widerstehen Erosion deutlich besser als Gusseisen, wenn mit Kavitation zu rechnen ist.

Vor Ort sollte die verfügbare NPSH (NPSHa) die NPSHr um etwa 1 m als Sicherheitszuschlag übersteigen. Bei knapper NPSH-Reserve scheint die Pumpe zwar zu laufen, liefert aber eine geringere Förderhöhe, vibriert und verschleißt vorzeitig.

Typen von Axialpumpen: Übliche Bauformen

Axialpumpen gibt es in vier grundlegenden Bauformen, die jeweils auf unterschiedliche Einbaubedingungen zugeschnitten sind. Dabei handelt es sich um branchenübliche Kategorien, nicht um bestimmte Produktlinien.

Vertikale Nassaufstellung

Laufrad und Pumpenkörper sind in einem Sumpf eingetaucht. Die Antriebswelle verläuft durch eine Säule nach oben zu einem Motor, der oberhalb der Abdeckplatte montiert ist. Diese Bauform findet sich häufig in großen Einlaufbauwerken, Kühlwasser-Vorbecken und Nassschächten zur Hochwasserregulierung. Der mechanische Aufbau ist einfach und die NPSH-Bedingungen sind günstig. Für Instandhaltungsarbeiten muss der Sumpf jedoch teilweise entwässert werden.

Vertikale Trockenaufstellung

Das Laufrad befindet sich in einer abgedichteten Pumpenkammer unterhalb der Bodenplatte. Saug- und Druckleitungen führen von den angrenzenden Sümpfen heran. Motor und Gleitringdichtung sind vom Betriebsboden aus zugänglich, ohne dass der Sumpf entwässert werden muss. Diese Bauform kommt zum Einsatz, wenn die Stillstandszeit für Instandhaltungsarbeiten bei einer Nassaufstellung nicht vertretbar wäre, etwa in kommunalen Hochwasserschutzstationen und bei kritischen Kühlwasseranwendungen.

Tauchpumpe

Der Motor ist in einem wasserdichten Druckgehäuse abgedichtet und direkt mit dem Laufrad gekoppelt. Die gesamte Einheit befindet sich im Sumpf. Die Bauform benötigt wenig Platz und kommt ohne lange Antriebswelle aus. Die Wärmeabfuhr des Motors ist jedoch auf das umgebende Wasser angewiesen, und das druckfeste Motorgehäuse erhöht die Investitionskosten. Diese Bauform wird häufig für mobile Entwässerung und den zeitlich begrenzten Einsatz bei Hochwasser verwendet.

Horizontale Ausführung

Die Pumpenachse verläuft horizontal in einem Rohrleitungsabschnitt. Diese Ausführung ist weniger verbreitet als vertikale Bauformen, eignet sich aber bei begrenzter Raumhöhe, zum Beispiel für die industrielle Kühlwasserumwälzung, die Umwälzung in Verdampfern mit Inline-Anordnung und den Ballastwassertransfer auf Schiffen. Sie benötigt eine separate Saugleitung mit einer Vorrichtung zum Befüllen. Bei allen vier Bauformen können die Schaufeln mit festem oder verstellbarem Winkel ausgeführt werden. Die Zahl der Laufradschaufeln reicht von 3 (für höchste Ns und niedrigste Förderhöhen) bis 6 (für anspruchsvollere industrielle Umwälzaufgaben). Für ein ausgewähltes Sortiment, abgestimmt auf Betriebspunkte für Bewässerung, Entwässerung und Hochwasserschutz, decken die Axialpumpen der AHW-Serie von BBP einen Betriebsbereich von 5.000–68.000 m³/h und vertikale Nassaufstellungen, Trockenaufstellungen sowie Tauchpumpen ab.

Einsatzbereiche von Axialpumpen: Branchenanwendungen

Da Axialpumpen sehr große Förderströme bei mäßiger Förderhöhe bewegen können, sind sie in mehreren Branchen für den Transport großer Wassermengen weit verbreitet:

Bewässerung und landwirtschaftliche Entwässerung

Pumpstationen für die Bewässerung großer Anbauflächen, Entwässerung von Reisfeldern und Überleitung von Flusswasser in Kanalsysteme. Besonders geeignet sind Förderströme von 1.000–20.000 m³/h bei einer statischen Saughöhe von weniger als 10 m. Axialpumpen für die Bewässerung werden häufig von Motoren oder Elektromotoren mit einer Leistung von 30–300 hp angetrieben.

Kommunaler Hochwasserschutz und Regenwasser

Dauerhaft betriebene Pumpstationen hinter Deichen, Anlagen für Mischwasserentlastungen (CSO) und Pumpstationen für die Regenwasserableitung. Große vertikale Axialpumpen in Trockenaufstellung sind die Standardkonfiguration, wenn die Verfügbarkeit einer Station bei Regenereignissen betriebsentscheidend ist.

Kühlwasser in Kraftwerken

Thermische und nukleare Kraftwerke fördern enorme Kühlwassermengen zwischen Kondensatoren, Kühltürmen und Entnahmestellen aus natürlichen Gewässern. Geringe Förderhöhe (hauptsächlich Reibungs- und Höhenverluste) und extrem hohe Förderströme (zigtausende m³/h pro Einheit) entsprechen genau dem Betriebsbereich von Axialpumpen.

Abwasserbehandlung und Abwasserumwälzung

Umwälzung von Belebtschlamm in Belebungsanlagen, Rücklaufschlammpumpen (RAS) und Förderung von mechanisch vorgereinigtem Abwasser. Ausführungen für Feststoffe verwenden halboffene Laufräder mit großen freien Querschnitten.

Chemische Prozesse und Umwälzung

Umwälzkreisläufe in Verdampfern und Kristallisatoren von Chemieanlagen, Zuckerraffinerien und Salzproduktionsanlagen. Zur Aufrechterhaltung der Wärmeübergangskoeffizienten ist eine kontinuierliche Umwälzung großer Mengen bei geringer Förderhöhe erforderlich. Dafür werden häufig Axialpumpen in horizontaler Rohrleitungsanordnung eingesetzt.

Aquakultur und maritime Anwendungen

Wasserumwälzung in Fischzuchtanlagen, Ballastwassertransfer auf Schiffen und Kühlwasserpumpen auf großen Schiffen. Eine Kombination aus Werkstoffen für korrosive Medien (Laufräder aus nichtrostendem Stahl, Pumpenkörper aus Bronze) und kompakter Bauweise eignet sich für die Einbaubedingungen auf Schiffen.

Grundlagen der Auswahl: So wählen Sie eine Axialpumpe aus

Gehen Sie diese fünf Schritte durch, bevor Sie ein Angebot anfordern. Sie gelten für jedes Axialpumpenprojekt, unabhängig von Branche und Umfang.

1. Prüfen Sie, ob Ihr Betriebspunkt im Einsatzbereich von Axialpumpen liegt. Berechnen Sie die spezifische Drehzahl Ns für den Auslegungsförderstrom Q und die Förderhöhe H bei einer praktikablen Wellendrehzahl. Liegt Ns über etwa 9.000 (US-Einheiten), ist eine Axialpumpe die richtige Pumpenklasse. Bei einem Ns unter 4,000 benötigen Sie eine Kreiselpumpe; dazwischen kommt eine Mischstrompumpe infrage.
2. Wählen Sie die Bauform anhand der Einbaubedingungen aus. Nassaufstellung, wenn die Entwässerung für Instandhaltungsarbeiten kostengünstig ist; Trockenaufstellung, wenn die Anlagenverfügbarkeit zählt; Tauchpumpe bei beengten Platzverhältnissen; horizontale Ausführung, wenn die Rohrleitungsachse bereits festgelegt ist.
3. Legen Sie die Motorgröße (angegeben in hp oder kW) anhand der BHP-Spitze fest, nicht anhand des Auslegungspunkts. Bei Axialpumpen steigt die BHP, wenn der Förderstrom sinkt. Ein Motor, der für den Auslegungspunkt dimensioniert wurde, kann deshalb bei Überlast abschalten, wenn die Anlage in Richtung Absperrpunkt gedrosselt wird. Berücksichtigen Sie den ungünstigsten Betriebsfall, den Ihre Regelung verursachen kann.
4. Stimmen Sie die Werkstoffe auf das Fördermedium ab. Sauberes Wasser: Pumpenkörper aus Gusseisen, Laufrad aus Bronze. Abrasive oder korrosive Medien: nichtrostende Stahlsorten (304/316/CF3M) mit hartbeschichteten Verschleißteilen. Abwasser oder feststoffhaltige Medien: halboffenes Laufrad mit großzügigem Schaufelspiel.
5. Berücksichtigen Sie die NPSH-Reserve. Geben Sie für alle Betriebspunkte eine NPSHa an, die mindestens 1 m über der vom Anbieter angegebenen NPSHr liegt. Eine knappe Reserve sieht auf dem Datenblatt günstig aus, verursacht aber höhere Instandhaltungskosten.

Zwei BBP-Tools übertragen diese Grundlagen in eine konkrete Angebotsanfrage: Das Auswahltool für Axialpumpen ordnet Ihren Betriebspunkt anhand von Q und H einer BBP-Konfiguration zu. Der TCO-Rechner für Pumpen prognostiziert die Gesamtbetriebskosten über 5-year anhand von Energiepreisangaben. Sobald Q, H und die Einbaubedingungen feststehen, bietet die Axialpumpenserie AHW von BBP mit 5.000–68.000 m³/h und vertikalen, tauchbaren und horizontalen Ausführungen eine konkrete Auswahl für die Angebotsanfrage.

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Häufig gestellte Fragen