Pumpe mit axial geteiltem Gehäuse: umfassender Leitfaden zu Konstruktion, Betrieb und Auswahl

Eine Pumpe mit axial geteiltem Gehäuse ist ein zuverlässiger Förder-Allrounder für große Wassermengen. Sie kommt in HLK-Kreisläufen (Heizung, Lüftung und Klimatisierung), im Brandschutz, in der kommunalen Wasserversorgung, in Kühlkreisläufen von Kraftwerken und in anspruchsvollen Industrieanwendungen zum Einsatz. Im Unterschied zu Pumpen mit einseitiger Ansaugung verfügt sie über ein horizontal geteiltes Pumpengehäuse, dessen Trennfuge auf Höhe der Wellenmitte liegt, sowie über ein doppelseitig angeströmtes Laufrad, das den Förderstrom von beiden Seiten gleichmäßig aufnimmt. Das Ergebnis: Die Pumpe läuft leiser, fördert bei gleicher Aufstellfläche größere Mengen und lässt sich – ein entscheidender Vorteil für das Instandhaltungsteam – öffnen, ohne auch nur einen Saug- oder Druckflansch von der Rohrleitung zu trennen. Dieser Leitfaden erklärt den mechanischen Aufbau und die hydraulische Funktionsweise der Pumpe, zeigt, wie Sie sie für Ihr System spezifizieren, installieren und in Betrieb nehmen, und beschreibt ihre Instandhaltung. Jede Leistungsangabe stützt sich auf eine veröffentlichte Norm oder Branchenquelle. Wo ein konkreter Wert von den Betriebsbedingungen abhängt, wird diese Unsicherheit offen benannt, statt durch eine erfundene Zahl verschleiert zu werden.

Aufbau: Hauptkomponenten einer Pumpe mit axial geteiltem Gehäuse (HSC)

Schon der Name verrät viel über die mechanische Konstruktion. „Horizontal“ bezieht sich auf die Ausrichtung der Welle: Sie liegt waagerecht und parallel zum Boden. „Axial geteiltes Gehäuse“ bedeutet, dass die Gehäusehälften entlang einer horizontalen Ebene auf Höhe der Wellenmitte verschraubt sind. Wird die obere Hälfte abgehoben, liegt die gesamte rotierende Einheit – Welle, Laufrad, Lager und Dichtungen – zur Prüfung oder zum Ausbau frei. Saug- und Druckstutzen bleiben dabei in der unteren Gehäusehälfte verankert. In technischen Unterlagen wird die Pumpe häufig als HSC-Pumpe abgekürzt. Die Brandschutznorm NFPA 20 §3.3.52.9 definiert sie offiziell als „eine Kreiselpumpe mit einem parallel zur Welle geteilten Gehäuse“. Von der Mitte der Pumpe nach außen betrachtet sind dies die wichtigen Komponenten:

• ◆ Pumpengehäuse — Für Wasser wird Gusseisen oder duktiles Gusseisen verwendet, für Meerwasser eine Bronzeausführung und für chemische Anwendungen Edelstahllegierungen. Die bearbeitete horizontale Trennfuge wird mit einer Dichtung abgedichtet und mit Schrauben verschlossen, die so dimensioniert sind, dass sie den Absperrdruck mit ausreichendem Sicherheitsfaktor aufnehmen. Saug- und Druckstutzen befinden sich in der unteren Hälfte, sodass die Rohrleitungen bei einer Überholung unangetastet bleiben.
• ◆ Doppelseitig angeströmtes Laufrad — Zwei spiegelbildlich angeordnete Laufradaugen werden von entgegengesetzten Seiten der Welle gespeist. Das Fördermedium tritt von beiden Enden ein und strömt zur Laufradmitte zusammen, bevor es nach außen in das Pumpengehäuse gefördert wird. Die symmetrische Anströmung sorgt für zwei wesentliche Vorteile dieser Bauart, auf die wir weiter unten eingehen.
• ◆ Welle und Lager — Die Welle wird außerhalb des Pumpengehäuses von zwei Lagergehäusen gestützt. Die Axialkräfte sind konstruktionsbedingt gering, da die symmetrische doppelseitige Anströmung den größten Teil der Axialkraft ausgleicht. Entsprechend klein können die Axiallager ausgeführt sein. Bei kleineren HSC-Pumpen kommen häufig Wälzlager zum Einsatz; größere Aggregate für Raffinerien oder Kraftwerke sind oft mit Gleitlagern und Druckölschmierung ausgestattet.
• ◆ Gleitringdichtungen und Stopfbuchsen — Die meisten modernen HSC-Pumpen werden mit Patronen-Gleitringdichtungen geliefert, die sich ohne Messung von Stellschrauben vor Ort austauschen lassen. Stopfbuchsen sind bei älteren Anlagen und bei Pumpen für abrasive Feststoffsuspensionen weiterhin verbreitet. Dort dient eine geringe, kontrollierte Leckage als Kühlmittel für die Packung.
• ◆ Verschleißringe — Austauschbare Verschleißringe sitzen an den Laufradnaben und in der Gehäusebohrung. Sie begrenzen das Laufspiel zwischen dem Druckbereich und dem Niederdruckbereich der Ansaugung im Pumpengehäuse und gehören zu den Bauteilen, die zuerst verschleißen. Der Austausch eines Verschleißrings ist günstiger als der Austausch eines Laufrads.
• ◆ Kupplung — Standardmäßig wird eine flexible Zwischenstückkupplung verwendet. Dank des Zwischenstücks kann ein Techniker den inneren Rotor ausbauen oder die Gleitringdichtung warten, ohne den Motor zu bewegen. Deshalb kommt hier keine einfache Klauenkupplung zum Einsatz.

Funktionsweise einer Pumpe mit axial geteiltem Gehäuse: das Prinzip der doppelseitigen Ansaugung

Im Grunde funktioniert eine HSC-Pumpe wie eine Kreiselpumpe: Ein rotierendes Laufrad überträgt Energie auf das Fördermedium und beschleunigt den Förderstrom nach außen. Das umliegende Pumpengehäuse wandelt die Bewegungsenergie in Druck um. Der Unterschied bei dieser Bauart liegt darin, wie das Fördermedium in das Laufrad eintritt. Statt durch ein einzelnes Laufradauge auf einer Seite einzuströmen, verteilt sich der Förderstrom auf zwei Saugkanäle im Pumpengehäuse und tritt gleichzeitig von beiden Seiten in das Laufrad ein. Der Förderweg im Einzelnen: Saugstutzen → interne Trennkanäle im Pumpengehäuse → zwei Laufradaugen auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors → Laufradschaufeln beschleunigen den zusammengeführten Förderstrom radial nach außen → das Pumpengehäuse nimmt den Förderstrom auf und wandelt die Bewegungsenergie in Druck um → Druckstutzen. Alle Komponenten befinden sich im selben Pumpengehäuse und sind nach dem Abheben der oberen Hälfte zugänglich. Auch die Geometrie des Pumpengehäuses ist entscheidend. Bei einer gut ausgelegten HSC-Pumpe sorgt sie am Bestpunkt des Wirkungsgrads (BEP) für eine gleichmäßige Druckverteilung rund um das Laufrad. Dadurch bleiben die radialen hydraulischen Kräfte gering und die Wellendurchbiegung klein. Weicht der Betriebspunkt deutlich vom BEP ab – etwa durch starkes Drosseln in Richtung Absperrbetrieb oder durch Betrieb am Ende des hohen Förderstrombereichs –, wird diese Gleichmäßigkeit gestört. Die radialen Kräfte nehmen zu, was auf Dauer die Lebensdauer von Lagern und Dichtungen verkürzt.

Leistungsmerkmale: Förderstrom, Förderhöhe, Wirkungsgrad und NPSHR

Die Leistungswerte von HSC-Pumpen unterscheiden sich je nach Modell, Hersteller und Betriebspunkt erheblich. Die folgenden Bereiche entsprechen typischen Branchenwerten und dienen nur zur Orientierung. Verwenden Sie sie nicht als Auslegungswerte für Berechnungen: Die tatsächlichen Werte sollten der geprüften Kennlinie des Herstellers für Ihr Modell entnommen werden. Einige Merkmale verdienen besondere Beachtung. Die Förderhöhen-Förderstrom-Kennlinie einer HSC-Pumpe verläuft üblicherweise flacher als die einer radial fördernden Pumpe mit einseitiger Ansaugung am gleichen Betriebspunkt. Dadurch schwankt der Druck am Druckstutzen weniger stark, wenn sich der Förderbedarf des Systems ändert. Deshalb setzen HLK- und Brandschutzplaner bei Kreisläufen mit variablem Förderstrom auf HSC-Pumpen. Der NPSHR steigt mit zunehmendem Förderstrom annähernd parabelförmig an. Wird deutlich über dem BEP betrieben, nimmt der NPSHR stark zu. So kann eine zuvor stabil laufende Pumpe plötzlich kavitiert, wenn eine Anlage ihre Kühllast erhöht, ohne die Pumpe anzupassen. Einen modellweisen Leistungsvergleich für HLK-, Brandschutz- und kommunale Anwendungen finden Sie im Katalog der BBP-Pumpen mit axial geteiltem Gehäuse. Dort sind geprüfte Kennlinien für jede Datenreihe veröffentlicht.

Auslegung und Auswahl: So spezifizieren Sie eine Pumpe mit axial geteiltem Gehäuse für Ihr System

Die Auslegung beginnt beim System, nicht bei der Pumpe. Gehen Sie in diesen fünf Schritten vor:

1. Ermitteln Sie die Anlagenkennlinie. Addieren Sie die statische Förderhöhe (Höhenunterschied zwischen Saugbehälter und Druckpunkt) zur Reibungsförderhöhe (Druckverlust in Rohrleitungen, Formstücken und Armaturen beim Auslegungsförderstrom). Tragen Sie diese Summe über den erwarteten Förderstrombereich auf. So erhalten Sie die Anlagenkennlinie. Die Pumpenkennlinie sollte diese am Auslegungsbetriebspunkt oder in dessen Nähe schneiden.
2. Berechnen Sie die NPSHA am Saugflansch der Pumpe. Die folgende Formel des Hydraulic Institute zur NPSH-Berechnung eignet sich für die praktische Anwendung:

3. Berücksichtigen Sie den NPSH-Abstand nach ANSI/HI 9.6.1-2024. Die Ausgabe 2024 der NPSH-Abstandsrichtlinie des Hydraulic Institute ersetzt den älteren NPSH3-Bezug durch den vom Hersteller veröffentlichten NPSHR. Außerdem gibt sie anwendungsspezifische Abstände für zehn Marktsegmente vor, statt eine pauschale Regel anzuwenden. Ein unzureichender NPSH-Abstand ist die Hauptursache für Geräusche, kavitationsbedingte Vibrationen und fortschreitenden Leistungsverlust. Ermitteln Sie den für Ihre Anwendung (HLK, Brandschutz, Abwasser, Kesselspeisung usw.) empfohlenen Abstand anhand der Norm. Stellen Sie sicher, dass die NPSHA den NPSHR am ungünstigsten Betriebspunkt mindestens um diesen Abstand übersteigt.
4. Prüfen Sie den bevorzugten Betriebsbereich. HSC-Pumpen laufen am leisesten und effizientesten und erreichen die längste Lager- und Dichtungslebensdauer, wenn sie bei etwa 70 % bis 120 % des BEP-Förderstroms betrieben werden. Bei 40 % des BEP entstehen hohe radiale Kräfte und die Lagerlebensdauer sinkt. Bei 130 % des BEP steigt der NPSHR und die Gefahr von Kavitation nimmt zu. Der bevorzugte Betriebsbereich ist enger als der zulässige Betriebsbereich. Legen Sie den Betriebspunkt möglichst immer in den bevorzugten Bereich.
5. Prüfen Sie, ob die spezifische Drehzahl zur Anwendung passt. HSC-Pumpen liegen üblicherweise im Bereich von 1.500-4.500 der spezifischen Drehzahl (US-Einheiten). Dieser Bereich eignet sich gut für Wasser und dünnflüssige Medien. Bei viskosen Medien, Feststoffsuspensionen oder Kohlenwasserstoffen kann die Auswahl eingeschränkt sein oder eine andere Pumpenart erforderlich werden. Kraftwerkskühlung, Hilfssysteme zur Stromerzeugung und die Förderung chemischer Stoffe stellen zusätzliche Anforderungen an Werkstoffe und NPSH, die vor der endgültigen Auswahl mit dem Pumpenhersteller geprüft werden sollten.

• ✔ Auslegungsförderstrom und Förderhöhe sind festgelegt; die Pumpenkennlinie schneidet die Anlagenkennlinie innerhalb des bevorzugten Betriebsbereichs
• ✔ NPSHA für den ungünstigsten Betriebsfall berechnet (höchste Temperatur, stärkste Drosselung, größte Einschränkung auf der Ansaugseite)
• ✔ Der NPSH-Abstand gemäß ANSI/HI 9.6.1-2024 für das jeweilige Anwendungssegment wurde geprüft
• ✔ Die Werkstoffauswahl entspricht der chemischen Zusammensetzung und Temperatur des Fördermediums sowie seinem Feststoffgehalt
• ✔ Motorbetriebsfaktor und Antriebsleistung sind auf die Leistungsaufnahme am Ende der Kennlinie abgestimmt, nicht nur auf die Leistung am BEP

Für den Abgleich eines berechneten Betriebspunkts mit einem Modell sehen Sie sich die BBP-Produktpalette der Pumpen mit axial geteiltem Gehäuse an. Für diese Datenreihen sind Hydraulikdaten für HLK-, Brandschutz- und kommunale Anwendungen verfügbar.

Installation und Inbetriebnahme: Fundament, Ausrichtung und Rohrleitungen

Auch eine korrekt ausgelegte Pumpe kann innerhalb von sechs Monaten ausfallen, wenn sie unsachgemäß installiert wird. Die meisten vorzeitigen Ausfälle gehen auf drei Ursachen zurück: Fundamentauslegung, Wellenausrichtung und Saugrohrleitung. Fundament. Gemäß den Installationsrichtlinien des Hydraulic Institute sollte das Betonfundament zur Schwingungsdämpfung ungefähr das Fünffache der Gesamtmasse von Pumpe und Motor haben. Es sollte vom Gebäudetragwerk entkoppelt, auf ungestörtem Boden oder einer tragenden Bodenplatte errichtet und vollständig ausgehärtet sein, bevor die Grundplatte vergossen wird. Bei den meisten Wasseranwendungen ist ein schwindarmer Zementmörtel Standard. Epoxidharzmörtel wird für anspruchsvollere oder chemisch aggressive Anwendungen verwendet. Er härtet schneller aus, ist aber teurer. Wellenausrichtung. Bei kritischen Installationen haben Lasermessgeräte die Messuhr weitgehend ersetzt. Typische Zielwerte für die Kaltausrichtung, wie sie in API 686 und der allgemeinen Praxis für rotierende Maschinen genannt werden, liegen bei etwa 0.002 in/in Parallelversatz und 0.0005 in/in Winkelfehler. Diese Werte sind Ausgangspunkte; die Vorgaben des Erstausrüsters können strenger sein. Saugleitung. Die meisten NPSHA-Probleme entstehen auf der Ansaugseite. Zwischen jedem Bogen, T-Stück oder jeder Armatur und dem Saugflansch der Pumpe sollte eine gerade Rohrstrecke von mindestens drei Rohrdurchmessern liegen. Verwenden Sie einen exzentrischen Reduzierstutzen mit ebener Oberseite, damit sich am Pumpeneintritt keine Luftblasen sammeln. Stützen Sie die Rohrleitung unabhängig ab, damit ihr Gewicht niemals am Pumpenflansch zieht. Wird eine kalt ausgerichtete Pumpe durch eine nicht abgestützte Saugleitung seitlich verspannt, ist sie intern nicht mehr ausgerichtet, selbst wenn die Lasermessung zuvor ein perfektes Ergebnis gezeigt hat. Ablauf der Inbetriebnahme. Prüfen Sie vor dem ersten Start die Drehrichtung (bei falscher Drehrichtung eines doppelseitig angeströmten Laufrads entsteht fast kein Förderstrom, aber der Motor nimmt den vollen Strom auf), entlüften Sie das Pumpengehäuse, füllen Sie die Pumpe vor – entweder durch Schwerkraft bei Zulauf unter Flüssigkeitsspiegel oder mithilfe einer Ansaughilfe –, richten Sie eine Sperrwasserversorgung ein, falls die Dichtungskonstruktion sie erfordert, und stellen Sie sicher, dass die Druckarmatur leicht geöffnet ist, damit kein Absperrbetrieb entsteht. Halten Sie den ersten Probelauf kurz. Überwachen Sie die Lager- und Dichtungstemperaturen mit einem Hand- oder Kontaktthermometer und prüfen Sie die Vibrationen, bevor Sie die Pumpe unbeaufsichtigt laufen lassen.

Instandhaltungszyklus: Prüfintervalle und Bauteilwechsel

Bei der Instandhaltung von HSC-Pumpen steht die vorbeugende Instandhaltung im Vordergrund. Erkennen Sie Probleme frühzeitig und beheben Sie kleinere Mängel, bevor ein Austausch des Rotors erforderlich wird. Gestaffelte Instandhaltungsprogramme umfassen kurze Sichtkontrollen und in größeren Abständen vollständige Demontagen. Die Auswertung von Vibrationstrends gemäß ISO 10816-3 ist das nützlichste Werkzeug zur Zustandsüberwachung einer Pumpe mit axial geteiltem Gehäuse. Für einen mittelgroßen Elektromotor, der eine Pumpe auf einer steifen Grundplatte antreibt, gelten laut veröffentlichten Grenzwerten folgende Richtwerte: Neu in Betrieb genommene Maschinen sollten unter 1,4 mm/s RMS laufen. Ein uneingeschränkter Betrieb ist bis 2,8 mm/s RMS zulässig. Werte von 2,8-4,5 mm/s RMS weisen auf übermäßige Vibration hin (Unwucht, Fehlausrichtung, lose Verbindungen – Ursache untersuchen und Instandhaltung einplanen). Bei mehr als 4,5 mm/s RMS besteht die Gefahr von Lagerschäden; die Maschine sollte außer Betrieb genommen werden. Die Europump-Richtlinien zu Pumpenvibrationen nennen für Pumpen mit Wälz- und Gleitlagern einen absoluten Grenzwert von 7,1 mm/s RMS.

Häufige Ausfallursachen und Fehlersuche

Bei HSC-Pumpen treten dieselben Ausfallarten auf wie bei anderen Kreiselpumpen. Symptome und Ursachen folgen jedoch vorhersehbaren Mustern. Die folgende Tabelle ordnet häufige Beanstandungen ihren typischen Ursachen zu. Weisen anhaltende Vibrationen, Kavitationsschäden oder Dichtungsverschleiß auf eine Pumpe am Ende ihrer Nutzungsdauer hin, lassen sich passende Ersatzpumpen mit axial geteiltem Gehäuse von BBP mit übereinstimmenden Flanschmaßen, Förderhöhen-Förderstrom-Kennlinie und Wellendrehrichtung bestellen. So lassen sich Änderungen an Rohrleitungen und Elektrik auf ein Minimum reduzieren.

Häufig gestellte Fragen