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Wie funktioniert eine Diagonalpumpe? Spezifische Drehzahl, Laufradgeometrie und technische Grundlagen

Kurzüberblick: Diagonalpumpe
| Spezifische Drehzahl (Ns, metrisch) | 35 – 160 |
| Förderhöhe (einstufig) | 5 – 60 m |
| Typischer Wirkungsgrad am BEP (große Aggregate) | 75 – 88% |
| Grenzwert für die Umfangsgeschwindigkeit am Laufrad | 25 – 30 m/s |
| Schaufelaustrittswinkel (zur Radialebene) | 20° – 60° |
| Maximal sinnvolle Stufenzahl | 2 – 3 |
Was ist eine Diagonalpumpe? Die Strömungsmechanik hinter dem Laufrad
Eine Diagonalpumpe ist eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad, das sowohl Zentrifugal- als auch Axialschub auf das Fördermedium ausübt. Die Flüssigkeit strömt wie bei einer Axialpumpe durch die Laufradmitte ein und wird dann entlang des Laufradumfangs diagonal oder schräg nach außen gefördert, statt gerade an der Stirnseite auszutreten.
Zwei Mechanismen wirken parallel auf das Fördermedium:
- Axialkomponente (Förderwirkung): Die rotierenden Laufradschaufeln beschleunigen das Fördermedium in Wellenrichtung und wandeln die Wellenenergie unmittelbar in Bewegungsenergie des Fördermediums um – ähnlich wie bei einem Schiffspropeller.
- Zentrifugalkomponente (radiale Komponente): Ein gekrümmtes Schaufelprofil lenkt das Fördermedium von der Mittellinie ab. Während die Flüssigkeit den Strömungskanal durchströmt, steigt dadurch der Druck – wie bei einer herkömmlichen Kreiselpumpe.
Die Umfangsgeschwindigkeit von Diagonalrädern muss auf etwa 1/2 des Werts eines Radialrads begrenzt werden (~25-30 m/sec), um Kavitation an der Vorderkante der Schaufeln auf der Niederdruckseite zu verringern. Dadurch ist die Förderhöhe einer einstufigen Pumpe auf etwa 60 m begrenzt. Konstrukteure und Kunden, die Spezifikationen oberhalb dieses Druckniveaus benötigen, sollten sich die Kategorien Radialrad oder (2-stufige Diagonalpumpe) ansehen. (KSB Lexikon – Centrifugal Pump Engineering)
Spezifische Drehzahl (Ns): Die Kennzahl zur Klassifizierung jeder Pumpe
Die spezifische Drehzahl ist die grundlegende Kennzahl für die Pumpenauslegung. Sie erfordert keine detaillierte Laufradauslegung und gibt Aufschluss über die Laufradschaufelgeometrie, die Gehäusebauart sowie Förderstrom-Förderhöhen-Kombinationen mit hohem Wirkungsgrad, noch bevor das Pumpenprojekt vollständig spezifiziert ist. Die metrische Formel:Dabei gilt: n = Drehzahl (rpm), Q = Förderstrom (m³/s), H = Förderhöhe je Stufe (m). Für die Umrechnung in das US-amerikanische Einheitensystem (Q in gpm, H in Fuß) wird das metrische Ergebnis mit ungefähr 47 multipliziert.
Die Ns-Spektrumtabelle: Eine Zahl bestimmt die Pumpenbauart
Berechnen Sie die spezifische Drehzahl anhand des Auslegungsbetriebspunkts und lesen Sie in der Tabelle die passende Pumpenbauart ab. Diagonalpumpen decken die beiden mittleren Zeilen ab.| Ns (metrisch) | US Ns-Äquiv. | Pumpenbauart | Förderhöhe je Stufe | Typischer Einsatz |
|---|---|---|---|---|
| < 35 | < 1,600 | Radial / Kreiselpumpe | > 60 m | Kessel, Prozessanlagen, HLK |
| 35 – 80 | 1,600 – 3,700 | Diagonalpumpe (niedrige Drehzahl) | 15 – 60 m | Bewässerung, Kühlwasser |
| 80 – 160 | 3,700 – 7,500 | Diagonalpumpe (hohe Drehzahl) | 5 – 30 m | Wasserhaltung, Hochwasserschutz |
| > 160 | > 7,500 | Axial- / Propellerpumpe | 2 – 10 m | Regenwasser, Wasserüberleitung in Kanäle |
Das US-amerikanische Ns-Äquivalent ist ein Näherungswert (Umrechnungsfaktor 47). Für das metrische Ns gelten SI-Einheiten; n wird in rpm, Q in m³/s und H in m angegeben. Die Werte variieren geringfügig je nach Laufradbearbeitung und Gehäuseausführung.
Diagonal-, Axial- und Radialpumpen im Vergleich: Wo die einzelnen Bauarten Vorteile haben
Keine Pumpenbauart eignet sich für jeden Betriebspunkt. Die folgende Tabelle vergleicht die drei Strömungsbereiche anhand der wichtigsten Parameter für industrielle Anwendungen: Förderhöhe, Förderstrom, Wirkungsgrad und Toleranz bei Betrieb außerhalb des BEP.
| Parameter | Radialpumpe (Kreiselpumpe) | Diagonalpumpe | Axial- / Propellerpumpe |
|---|---|---|---|
| Ns (metrisch) | < 35 | 35 – 160 | > 160 |
| Förderhöhe (einstufig) | > 60 m ✓ | 5 – 60 m | 2 – 15 m |
| Förderstromkapazität | Niedrig – mittel | Mittel – hoch ✓ | Sehr hoch ✓ |
| Typischer Wirkungsgrad am BEP | 60 – 80% | 75 – 88% ✓ | 80 – 90% |
| Gehäusebauart | Spiralgehäuse | Spiralgehäuse oder Rohrgehäuse | Rohrgehäuse |
| Toleranz außerhalb des BEP | Mäßig | Mäßig | Gering – steile Q-H-Kennlinie |
Die Wirkungsgradbereiche beziehen sich auf große Industrieaggregate am oder nahe dem BEP. Kleinere Pumpen (less than 10kW) erreichen bei allen drei Bauarten tendenziell geringere Werte.
Laufradgeometrie: Wie Schaufelwinkel und Deckscheibenform die Leistung beeinflussen
Drei geometrische Entscheidungen beeinflussen die gesamte hydraulische Leistung eines Diagonallaufrads. Die richtige Wahl in der Konstruktionsphase vermeidet Rückströmungsverluste und verhindert frühe Kavitation im Betrieb.
Offene und geschlossene Deckscheibe
Offene Laufräder ohne vordere Deckscheibe sind bei Förderhöhen bis etwa 15m die übliche Bauart für saubere Flüssigkeiten. Sie lassen sich leichter bearbeiten und vertragen geringe Feststoffanteile im Fördermedium besser. Außerdem ermöglichen sie eine Inspektion vor Ort, ohne das Gehäuse aufwendig demontieren zu müssen. Geschlossene Laufräder umschließen die Schaufelkanäle vollständig und verringern interne Rückströmungsverluste. Am Auslegungspunkt erreichen sie tendenziell einen höheren Wirkungsgrad. Sie sind die bewährte Wahl für große Förderhöhen, erfordern jedoch genauere Laufspalte und reagieren empfindlicher auf Verschleiß an der Deckscheibenfläche.Schaufelaustrittswinkel und meridionaler Strömungskanal
Bei Diagonalpumpen liegen die Schaufelaustrittswinkel in der Regel zwischen 20° und 60° zur Radialebene. Je flacher der Winkel, desto größer die Förderhöhe und desto geringer der Förderstrom; zugleich ist das Laufrad stärker axial und die Pumpe stärker zentrifugal ausgeprägt. Bei einem steileren Winkel wird das Fördermedium stärker auf einen möglichst hohen Förderstrom in Durchströmungsrichtung ausgerichtet. Die einfache, naheliegende Lösung besteht darin, die meridionale Geschwindigkeit an die Eintrittsbedingungen des Laufrads anzupassen. Allerdings sind nicht alle Schaufelbelastungsverteilungen mit dieser Bedingung vereinbar. Eine zu hohe Druckbelastung der Schaufel führt zu Strömungsablösung; eine zu geringe Belastung senkt den Förderstrom, was Rückströmung und eine niedrige Förderhöhe zur Folge hat.Gehäuseübergang bei Ns ≈ 130
Unterhalb von etwa Ns 130 (metrisch) wird der größte Teil der Strömungsenergie des Laufrads in einem spiralförmigen Spiralgehäuse in Druck umgewandelt. Diese Bauart bietet eine gute Kombination aus großer Förderhöhe und geringem Förderstrom und lässt sich für die in den meisten Märkten üblichen Pumpenabmessungen wirtschaftlich umsetzen. Oberhalb von Ns 130 wird der erforderliche Spiralgehäusequerschnitt, um eine akzeptable Strömungsgeschwindigkeit einzuhalten, für Standardpumpendurchmesser unpraktisch groß. Das Gehäuse geht dann in einen Rohrkörper mit nachgeschalteten Leitschaufeln zur Druckrückgewinnung über. Dieser Bauartwechsel erklärt, warum die meisten Diagonalpumpen mit hohem Ns als vertikale Säulenpumpen installiert werden. Während Axialpumpen im Betrieb meist eine gleichmäßige Verstellung der Schaufelsteigung ermöglichen, eignen sich Diagonalpumpen konstruktionsbedingt besser für die Steuerung über einen drehzahlgeregelten Antrieb oder über Vorleitvorrichtungen am Eintritt.6 industrielle Anwendungen, in denen Diagonalpumpen andere Bauarten übertreffen
Diagonalpumpen arbeiten im Leistungsbereich mit Förderströmen von 0,3 m³/s bis 30 m³/s und Förderhöhen von 5-60 m. In diesen sechs Anwendungsbereichen bieten sie gegenüber Kreisel- oder Axialpumpen deutliche Vorteile, da sie mittlere Förderhöhen mit hohen Förderströmen verbinden.- Großflächige landwirtschaftliche und kommunale Bewässerung: Förderung aus Flüssen oder Reservoirs in Verteilungskanäle bei einer Förderhöhe von 10–40 m – Betriebsbedingungen, bei denen der Wirkungsgrad von Kreiselpumpen nicht ausreicht und die Förderhöhe von Axialpumpen zu gering ist, um die Verluste im Verteilungssystem zu überwinden.
- Hochwasserschutz und Regenwasserentwässerung in Städten. Pumpstationen in tiefliegenden Gebieten müssen große Wassermengen bei einer Förderhöhe von 5-20 m und schwankendem Zulauf fördern. Vertikale Diagonalpumpen in Säulenbauweise sind weltweit die gängige Lösung für diese Aufgabe.
- Kühlwasserversorgung für die Stromerzeugung: Thermische und nukleare Kraftwerke nutzen Kühlwasser mit Förderströmen über 5 m³/s und Förderhöhen von 10–30 m – damit liegen sie klar im Anwendungsbereich von Diagonalpumpen mit hoher Ns.
- Rohwasserentnahme für die Wasseraufbereitung: Wasseraufbereitungsanlagen, die Wasser aus Oberflächengewässern entnehmen, benötigen Pumpen, die schwankende Wasserstände, Schwebstoffe und große saisonale Schwankungen des Förderstroms bewältigen, ohne dass der Wirkungsgrad einbricht.
- Industrielle Wasserhaltung und Prozesskühlung: Die Wasserhaltung in Bergwerken, Kühlkreisläufe in Stahlwerken und Wasserrecyclingkreisläufe in Chemieanlagen erfordern hohe Förderströme bei mittleren Förderhöhen. Hier haben Diagonalpumpen bei den Energiekosten über den Lebenszyklus tendenziell Vorteile gegenüber Kreiselpumpen.
- Aquakultur und Umwälzung von Meerwasser: Fischfarmen an der Küste und industrielle Anwender von Meerwasser bewegen große Wassermengen bei niedrigen bis mittleren Förderhöhen. Dafür sind typischerweise Laufräder aus korrosionsbeständigen Legierungen oder ausgekleideten Werkstoffen erforderlich.
Wirkungsgrad und BEP: Was Ingenieure bei der Auslegung von Diagonalpumpen oft übersehen
Der BEP ist der Betriebspunkt, an dem bei einer bestimmten Leistung alle internen Verluste (hydraulische, volumetrische und mechanische) gemeinsam minimiert werden. Bei großen Diagonalpumpen liegt der Wirkungsgrad am BEP oft zwischen 75-88 % und ist damit mit dem anderer Kreiselpumpen vergleichbar, sofern Förderhöhe und Förderstrom ähnlich sind. Am deutlichsten zeigen sich Unterschiede beim Betrieb außerhalb des BEP: Diagonalpumpen reagieren dabei tendenziell stärker mit Wirkungsgradeinbußen als Radialpumpen.
Die gängigste Auslegungspraxis besteht darin, eine Pumpe zu wählen, deren tatsächlicher Betriebspunkt deutlich über dem gewünschten Förderstrom liegt, und den Förderstrom anschließend über die Druckarmatur zu regeln. Bei Diagonalpumpen führt ein Dauerbetrieb mit weniger als etwa 70 % des BEP-Förderstroms zu Rückströmung auf der Saugseite – einer umgekehrten Strömung im Laufradauge, die Vibrationen, Laufradverschleiß und eine Überlastung der Lager verursacht. Ein Betrieb oberhalb eines geschätzten BEP-Förderstroms von 120 % kann Rückströmung auf der Druckseite und einen abrupten Abfall der Förderhöhe verursachen.
Jim Elsey berichtet in Pumps &—Systems (March 2020), dass ein Betrieb abseits des BEP zu „hohem Radialschub, Rückströmung auf der Saug- und Druckseite, Kavitation, Mindestförderstrom- oder Wirkungsgradproblemen führt, die sich mit zunehmendem Alter der Pumpe über die Jahre nur verschlimmern würden.“
Es gibt zwei Möglichkeiten, Diagonalpumpen bei wechselndem Bedarf am oder nahe dem BEP zu betreiben:
- Frequenzumrichter (VFD): Passt die Drehzahl an den tatsächlichen Anlagenbedarf an und hält den Betriebspunkt auch bei wechselndem Förderstrom am oder nahe dem BEP. Bei Anlagen mit erheblichen Bedarfsschwankungen sind gegenüber dem Betrieb mit fester Drehzahl Energieeinsparungen von 20–40 % möglich. Das ist der Hauptgrund, warum Bewässerungsverbände und kommunale Entwässerungsbetriebe bestehende Pumpstationen mit VFDs nachrüsten.
- Vorleitvorrichtungen am Eintritt: Mechanisch verstellbare Leitschaufeln vor dem Laufrad versetzen die Strömung in eine Vordrehung. Dadurch verschiebt sich der BEP zu geringeren Förderströmen, ohne die Wellendrehzahl zu verändern. Diese Lösung ist weniger effizient als eine Drehzahlregelung, kann bei sehr großen Pumpen ( > 1 MW) aus Investitionskostengründen jedoch gegenüber einem VFD bevorzugt werden.
Technologietrends bei Diagonalpumpen (2025–2026): VFD, CFD und intelligente Überwachung
Der weltweite Markt für Axial- und Diagonalpumpen hatte 2025 einen Wert von USD 10,23 B und soll bis 2031 mit einer CAGR von 5,04 % wachsen.3 Neben den allgemeinen Marktentwicklungen ermöglichen drei technologische Fortschritte Produktivitätssteigerungen bei neuen Konstruktionen und Nachrüstungen bestehender Anlagen.- Wachstum des VFD-Markts: Der Markt für drehzahlgeregelte Pumpen wächst mit einer CAGR von 7,3 % – schneller als der Pumpenmarkt insgesamt mit 5 % – von USD 8,6 billion im Jahr 2025 auf USD 16,2 billion bis 2034. Neue Vorgaben zur Energieeffizienz in der EU, China und Nordamerika veranlassen Betreiber von Anlagen mit fester Drehzahl, alternde Anlagen aufzurüsten oder zu ersetzen. Hochwasserschutz- und Bewässerungsanlagen mit Diagonalpumpstationen bieten weltweit gute Voraussetzungen für eine Nachrüstung.
- CFD-optimierte Laufradauslegung: Fortschrittliche CFD – die rechnergestützte Modellierung von Strömungen – hat sich von einem spezialisierten F&E-Werkzeug zu einem üblichen Konstruktionsschritt bei Herstellern im mittleren Marktsegment entwickelt. CFD ermöglicht es, hydraulische Verluste im Bereich Ns 80-160 zu reduzieren, in dem die Kanalgeometrie besonders empfindlich auf Abweichungen des Eintrittswinkels reagiert. Dafür werden die Schaufelbelastungsverteilung optimiert und die Stromlinien an Nabe und Deckscheibe aufeinander abgestimmt, ohne den sonst üblichen langwierigen Zyklus physischer Tests.
- Integration der Zustandsüberwachung: IoT-fähige Sensoren für Vibration, Temperatur und Differenzdruck werden in Pumpensäulen integriert, insbesondere in unbemannten Entwässerungs- und Bewässerungsstationen. Vorausschauende Instandhaltungsmodelle auf Basis kontinuierlicher Sensordaten reduzieren vorbeugende Instandhaltungsmaßnahmen und ungeplante Anlagenstillstände in hochwassergefährdeter Infrastruktur, wo ein Pumpenausfall bei einem Wetterereignis die öffentliche Sicherheit gefährdet.
FAQ: Funktionsprinzip der Diagonalpumpe
▶ Wie funktioniert eine Diagonalpumpe?
Das Fördermedium wird axial entlang der Welle angesaugt und anschließend von den Zentrifugalschaufeln des rotierenden Laufrads nach außen gefördert. Diese übertragen eine Zentrifugalkraft auf das Fördermedium; die Axialschaufeln erzeugen zusätzlich Axialschub. Zusammen bewirken beide Kräfte einen diagonalen Austritt in einem Winkel von 30-70 zur Wellenachse und sorgen bei der spezifischen Drehzahl Ns 35-160 für eine relativ große Förderhöhe und einen geringen Volumenstrom. (Metrisch).
▶ Welche spezifische Drehzahl hat eine Diagonalpumpe?
Diagonalpumpen liegen im metrischen SI-System im Bereich Ns 35-160. Bei Pumpen mit niedriger Drehzahl (Ns 35-80) kommen Spiralgehäuse für Förderhöhen von 15-60m zum Einsatz. Bei hohen Drehzahlen (Ns 80-160) werden Rohrgehäuse mit Leitschaufeln verwendet, die bei hohen Förderströmen Förderhöhen von 5-30m erreichen. Im US-amerikanischen Einheitensystem entspricht dies Ns 1600-7500 (metrischer Wert multipliziert mit ungefähr 47).
Im betrachteten Bereich arbeitet eine Pumpe bei Ns 50 eher wie eine Kreiselpumpe, bei Ns 130 eher wie eine Axialpumpe.▶ Was ist der Unterschied zwischen einer Radialpumpe und einer Diagonalpumpe?
Radialpumpen (Kreiselpumpen) fördern das Medium senkrecht zur Welle. Dadurch erreichen sie bei geringem Förderstrom eine große Förderhöhe (Ns < 35).50 Im Bereich hoher Förderströme (Ns 35-160) fördern Diagonalpumpen das Medium diagonal. Sie verbinden die Kräfte, die auch bei Kreisel- und Axialpumpen wirken, und erreichen so bei deutlich höheren Förderströmen mittlere Förderhöhen.50 Pumpen mit höheren Ns-Werten wechseln bei Radialpumpen von einem Spiralgehäuse zu einem Rohrgehäuse; bei Diagonalpumpen ist dies nicht der Fall.50
▶ Welche maximale Förderhöhe kann eine einstufige Diagonalpumpe erreichen?
Eine einstufige Diagonalpumpe ist in der Praxis auf etwa 60 m begrenzt. Ursache ist der Grenzwert für die Umfangsgeschwindigkeit des Laufrads von 25–30 m/s, bei dessen Überschreitung Kavitation an der Schaufelvorderkante zu einem Konstruktionsrisiko wird. Für Betriebspunkte oberhalb von 60 m ist eine radiale Kreiselpumpe oder eine Diagonalpumpe mit 2–3 Stufen die geeignete Ausführung.
▶ Aus welchen Hauptkomponenten besteht eine Diagonalpumpe?
Zu den fünf Hauptkomponenten gehören: (1) das Laufrad – offene Deckscheibe für hohe Förderströme und Förderhöhen bis 15 m, geschlossene Deckscheibe für größere Förderhöhen und höhere Anforderungen an den Wirkungsgrad; (2) das Pumpengehäuse – Spiralgehäuse bei Ns unter 130, Rohrgehäuse mit Leitschaufeln oberhalb von NS 130; (3) Welle und Kupplung – übertragen das Motordrehmoment; (4) Radial- und Axiallager – nehmen die Wellenbelastung bei wechselnden hydraulischen Kräften auf; (5) die Wellenabdichtung – Gleitringdichtung oder Stopfbuchspackung – dichtet die Welle ab. Vertikale Säulenpumpen verfügen zusätzlich über eine durchgehende Welle oder eine Tauchmotorbaugruppe zwischen Pumpengehäuse und oberirdischem Antrieb. Dadurch eignen sie sich für den Einbau in unterirdischen Pumpensümpfen oder Nassschächten.
Sie möchten eine Diagonalpumpe spezifizieren?
Die Ingenieure von BBP legen Pumpen anhand der spezifischen Drehzahl aus. Teilen Sie uns Ihr Ns, die Förderhöhe und den Förderstrom mit. Wir ermitteln die passende Ausführung aus dem Diagonalpumpenprogramm von BBP, einschließlich vertikaler Säulenpumpen und horizontaler Aggregate für Ns 35–160.
Technische Beratung anfragen →Startseite - Mischstrompumpen-Blog - Wie funktioniert eine Diagonalpumpe? Spezifische Drehzahl, Laufradgeometrie und technische Grundlagen
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.
Wir unterstützen technische Einkäufer bei der Auswahl und Beschaffung der passenden Pumpenkonfiguration, anstatt nur Preise zu vergleichen. Senden Sie uns Angaben zu Förderstrom, Förderhöhe, Medium, Feststoffgehalt, Temperatur, pH-Wert, Werkstoffanforderungen und Einbaubedingungen. Die Ingenieure von BBP empfehlen Ihnen eine Pumpenbaureihe, eine Werkstoffoption, die Grundlage für die Förderkennlinie, die Lieferzeit und einen Ersatzteilplan für Ihre Angebotsanfrage.


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