Kreiselpumpe mit offenem Laufrad: Funktion und Anwendung

Kreiselpumpen, auch Zentrifugalpumpen genannt, sind Strömungsmaschinen, die in vielen Bereichen der Wirtschaft sowie im privaten Bereich breite Anwendung finden. Sie nutzen die durch ein rotierendes Laufrad entstehende Saugwirkung, um Flüssigkeiten zu befördern.

Funktionsprinzip von Kreiselpumpen

Kreiselpumpen sind Strömungsmaschinen, die das Prinzip der Fliehkraft nutzen. Durch Rotation des Impellers sinkt der Druck im Zentrum und steigt am Rand des Pumpenrads. Da sie sich auf diese Weise die Strömungseigenschaften von Flüssigkeiten zur Beförderung des Mediums zunutze machen, handelt es sich um sogenannte Strömungsmaschinen.

Vor Beginn der Förderung muss die Pumpe vollständig mit Fluid gefüllt sein, da Gaseinschlüsse den Pumpvorgang durch die sogenannte Kavitation (also die Bildung und das schlagartige Zusammenbrechen von Gasblasen in der Kreiselpumpe) stören. Im Gegensatz zur Verdrängerpumpe kann in einer Kreiselpumpe die Flüssigkeit bei Stillstand des Aggregats jedoch auch rückwärts fließen.

Strömungspumpen basieren auf der Energieübertragung vom Pumpenrad auf die jeweiligen Fluide. Innerhalb der Flüssigkeit dreht sich das Laufrad und erzeugt ähnlich wie ein Löffel beim Rühren von Wasser in einem Glas einen sinkenden Druck zum Zentrum hin, wobei der Druck radial zum Laufrad steigt. Dabei kann sich das Medium parallel (axial), senkrecht (radial) oder diagonal zur Drehachse des Laufrades bewegen. Die Bewegungsrichtung des Mediums wird dabei durch die Form und Bauart des Laufrades bestimmt.

Eine reine Strömungspumpe funktioniert nur bei vollständiger Füllung mit Flüssigkeit, wobei das Medium immer wieder nachfließt. Die Gasanteile können bei dieser Pumpenart nicht selbstständig entfernt werden. Dadurch besteht die Gefahr, dass die Luft- und Gaseinschlüsse zur sogenannten Kavitation führen, also zur Zusammenlagerung der Dampf- oder Luftblasen. Die Gase sammeln sich dann im Zentrum und behindern so den Förderstrom. Dabei kann der Förderstrom sogar ganz unterbrochen werden. Ständige Kavitation fördert außerdem den Verschleiß des Laufrades und des Pumpengehäuses. Daher müssen Strömungspumpen mitsamt der Saugleitung immer vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sein.

In Kombination mit einer Verdrängerpumpe kann die Strömungspumpe jedoch auch als selbstsaugende Kreiselpumpe fungieren. Bei diesem Pumpentyp werden eingeschlossene Gase selbsttätig abgesaugt.

Das Laufrad: Herzstück der Kreiselpumpe

Das wichtigste Element einer Kreiselpumpe ist das Laufrad, das sich in einem Pumpengehäuse dreht. Das Pumpenlaufrad ist mit Schaufeln ausgestattet und wird auf der Pumpenwelle montiert. Die Konstruktion des Laufrads hat großen Einfluss auf die Leistung der Pumpe und die Art der zu fördernden Flüssigkeiten.

Die Form, die Anzahl der Schaufeln, die Abmessungen und die Drehzahl haben einen großen Einfluss auf die Förderhöhe, die Leistung und den endgültigen Wirkungsgrad der Kreiselpumpe.

Interessante Fakten über Laufräder:

• Genau wie Autoreifen müssen auch Pumpenlaufräder ausgewuchtet werden, um die Vibrationen in der Kreiselpumpe zu reduzieren.
• Qualität steckt im Detail. Der Guss und die Auswahl der Materialien spielen für die Leistung der Pumpe eine Rolle. Ein Pumpenlaufrad mit einer glatten Materialstruktur hat einen höheren Wirkungsgrad.
• In den meisten Fällen arbeiten größere Zentrifugalpumpen mit größeren Laufrädern mit einem höheren Wirkungsgrad als kleinere Zentrifugalpumpen mit kleinen Laufrädern.
• Gut entwickelte Laufräder sind mit rückwärtigen Schaufeln ausgestattet. Dadurch wird der Druck auf die Gleitringdichtung reduziert und die Axialkräfte auf das Lager verringert.
• Bei Pumpenlaufrädern mit einer großen Einlassöffnung und einem relativ kleinen Außendurchmesser ist der Flüssigkeitsstrom im Verhältnis zur Förderhöhe groß.
• Bei Laufrädern mit einem großen Außendurchmesser und einer relativ kleinen Einlassöffnung ist die Förderhöhe der Pumpe im Verhältnis zum Förderstrom groß.
• Pumpenlaufräder können getrimmt/bearbeitet werden. Beispielsweise in Fällen, in denen der Durchmesser des Laufrads aufgrund der verfügbaren Motorleistung reduziert werden muss. Wenn die Drehzahl der Kreiselpumpe gleich bleibt, nehmen Förderhöhe und Wirkungsgrad der Pumpe ab, wenn der Laufraddurchmesser verringert wird.
• Die Laufradschaufeln von Kreiselpumpen sind so konstruiert, dass sie sich nur in eine Richtung drehen. Dreht sich ein Laufrad in der falschen Richtung, sind Förderhöhe und Förderleistung viel geringer als bei richtiger Drehrichtung.

Lässt die Leistung Ihrer Zentrifugalpumpe nach? Das Pumpenlaufrad könnte der Grund dafür sein. Ein Leistungsabfall kann durch eine falsche Drehrichtung des Laufrads, eine Verstopfung durch Schmutz oder auch durch übermäßigen Verschleiß verursacht werden. Wenn das Spiel zwischen dem Laufrad und der Verschleißplatte zu groß wird, kommt es außerdem zu einer internen Rezirkulation der Flüssigkeit. Luftblasen, die sich um das Laufrad oder vor der Einlassöffnung bilden, können dazu führen, dass überhaupt keine Flüssigkeit gepumpt wird.

Bauarten von Kreiselpumpen

Die Einteilung der Kreiselpumpen erfolgt nach mehreren Kriterien. Dabei spielen Laufradform, Antrieb, Gehäuseaufbau, Stufenzahl und das zu befördernde Medium eine Rolle. Für jede Komponente der Pumpe gibt es wiederum verschiedene Bauarten, die in ihrer Kombination die Kreiselpumpenvielfalt bestimmen. Jeder Kreiselpumpentyp ist wiederum nur für bestimmte Anwendungen geeignet.

Typen von Kreiselpumpen:

• Axialpumpen: Bei den Axialkreiselpumpen wird das Medium parallel zur Pumpenwelle gefördert. Sie bestehen aus einem rohrförmigen Pumpengehäuse, in welchem ein Propeller ähnliches Laufrad rotiert. Aufgrund dieser Bauart wird dieser Pumpentyp auch als Propellerpumpe bezeichnet. Diese Pumpen kommen hauptsächlich in Wasserwerken, in der Landwirtschaft oder in Schwimmbädern zur Anwendung.
• Radialpumpen: Radialkreiselpumpen besitzen einen radialen Pumpenausgang. Der Flüssigkeitsaustritt findet also senkrecht zur Achse des Laufrades statt. Die Bauart des Laufrades verursacht eine höhere Zentrifugalkraft und erzeugt dadurch auch einen hohen Förderdruck. Allerdings sinkt der Volumenstrom gleichzeitig. Diese Pumpenart ist für die Förderung von dickflüssigen Medien besonders geeignet und findet daher größtenteils in der Erdöl verarbeitenden Industrie zum Erdöltransport Anwendung.
• Diagonalpumpen: Die Diagonalkreiselpumpe fördert das fluide Medium schräg zur Laufradachse. Durch Anpassung der Bauweise der Laufräder kann sie das gesamte Spektrum zwischen axialer und radialer Förderung des Fluids abdecken.
• Seitenkanalpumpen: Dieser Pumpentyp besteht aus einer Kombination von Verdränger- und Strömungspumpe. In der Vorstufe besitzt diese Pumpe ein spiralförmiges Schaufelrad. Die nachfolgende Stufe ist mit einem sternförmigen Pumpenrad ausgestattet. Dadurch bildet sich ein Flüssigkeitsring mit selbstansaugenden Eigenschaften. Bei vollständiger Füllung der Seitenkanäle wird die Flüssigkeit spiralförmig in das außen liegende Druckrohr gefördert. Bei dieser Pumpe kann unbeschadet Gas mitgefördert werden, weil dieses selbstständig abgesaugt wird.
• Peripheralradpumpen: Die Peripheralradpumpe arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip wie die Seitenkanalpumpe. Hier wird das flüssige Medium mithilfe eines Ansaugstutzens in einen ringförmigen Kanal gesaugt. Dort dreht sich ein Pumpenkreisel mit geraden Schaufeln. Damit wird die zu befördernde Flüssigkeit in Rotation versetzt. Das Medium fließt unter Druck durch den Ringkanal und verlässt diesen über einen Ablaufstutzen. Besondere Bedeutung besitzt die Peripheralradpumpe zur Beförderung kleiner Fördermengen bei hohen Drücken.

Anwendungsbeispiele für Kreiselpumpen

Kreiselpumpen kommen unter anderem in der Wasserversorgung, im Abwasserbereich, in der chemischen Verfahrenstechnik, bei der Erdölaufbereitung sowie im Lebensmittel- oder Pharmaziebereich zum Einsatz. Neben der Anwendung als Industriekreiselpumpen stellen sie ebenfalls auch unverzichtbare Helfer im Hausbereich dar.

Die Einsatzgebiete von Kreiselpumpen umfassen unter anderem das folgende Spektrum:

• Druckerhöhung in fluiden Medien
• Einsatz in Druckerhöhungsanlagen
• Förderung großer Mengen von aggressiven Medien
• Einsatz im Bereich des Hauses
• Einsatz als Umwälzpumpen in Heizungs- und Klimaanlagen
• Förderung von aggressiven und explosiblen Medien
• Einsatz in Bau- und Landwirtschaft zur Entwässerung und Beregnung
• Einsatz in der pharmazeutischen und chemischen Industrie
• Einsatz in Kühlkreisläufen
• Umpumpen von Flüssigkeiten aus Behältern und Tanks
• Abpumpen von Flüssigkeiten aus Behältern und Tanks
• Einsatz für schwierige Förderaufgaben

Spezielle Typen von Kreiselpumpen:

• Hochdruckkreiselpumpen: Hochdruckkreiselpumpen dienen zur Druckerhöhung. Es können Förderdrücke von mehr als 60 bar erreicht werden. Diese Pumpen werden unter anderem in Wasserwerken, Beregnungsanlagen oder Druckerhöhungsanlagen eingesetzt.
• Blockkreiselpumpen: Blockkreiselpumpen besitzen einen modularen Aufbau. Dabei ist der Pumpenantrieb mit dem Pumpensystem auf einer horizontalen Unterkonstruktion zusammengebaut. Die Reihenschaltung der Kreiselpumpen erzeugt eine Druckerhöhung, die individuell gestaltet werden kann. Die Konstruktion der Blockkreiselpumpen kann daher an die speziellen Bedingungen in Wasseraufbereitungsanlagen oder Druckerhöhungsanlagen angepasst werden.
• Chemiekreiselpumpen: In der chemischen Industrie müssen häufig aggressive und korrosive Flüssigkeiten gefördert werden. Das stellt auch besondere Anforderungen an Kreiselpumpen. Um auf die Wellenabdichtung verzichten zu können, werden hier meist berührungslose Magnetkraftkupplungen eingesetzt.
• Hauswasserkreiselpumpen: Hauswasserkreiselpumpen eignen sich als Brunnenpumpen oder als Pumpen in Beregnungsanlagen für Gartenanlagen und in vielen weiteren Bereichen des Hauses. Auch ein Anschluss ans Hauswassernetz als Druckerhöhungspumpe ist möglich.
• Inlinekreiselpumpen: Inlinekreiselpumpen dienen als Umwälzpumpen in Heizwerken, Klimaanlagen oder Kältemaschinen. Ihre Bauform ist vertikal. Außerdem können sie Fördermengen bis zu 900 Kubikmeter pro Stunde bei einem Druck bis zu 16 bar erreichen.
• Magnetkreiselpumpen: Magnetkreiselpumpen zeichnen sich durch eine berührungsfreie Magnetkraftübertragung zum Pumpenrad aus. Sie werden in der chemischen Industrie zur Förderung von aggressiven und entzündlichen Chemikalien eingesetzt. Aufgrund ihrer Bauweise sind diese Pumpen vor Korrosion geschützt.
• Selbstansaugende Kreiselpumpen: Selbstansaugende Kreiselpumpen werden häufig zur Entwässerung im Bauwesen oder in Beregnungsanlagen für die Landwirtschaft verwendet. In diesen Bereichen ist es notwendig, dass die Pumpe immer wieder selbstständig entlüftet werden kann.
• Minikreiselpumpen: Auch für kleine Fördermengen in der Chemie und Pharmazie gibt es entsprechende Kreiselpumpen. Dabei handelt es sich um sogenannte Minikreiselpumpen, die unter anderem in der chemischen Prozesstechnik geeignet sind, kleinere Mengen an Säuren zu fördern.

Fristam FPM-Baureihe: Intelligente Kombination aus Sicherheit und Sauberkeit

Fristam Pumpen bietet eine magnetgekuppelte Pumpenbaureihe, die wesentliche Konstruktionselemente der Kreiselpumpen mit besonderen Sicherheitsmerkmalen für den Einsatz in der Industrie kombiniert. Die FPM-Serie mit Magnetkupplung, Spalttopf und offenem Laufrad verbindet Sicherheit und Sauberkeit. Der Produktraum ist mit Hilfe eines Spalttopfes hermetisch von der Umgebung abgedichtet, und das Laufrad berührungslos über eine Magnetkupplung mit der Antriebseinheit verbunden.

Pumpaufgaben in der Industrie unterliegen häufig besonders hohen Sicherheitsanforderungen, da es sich oft um toxische oder aggressive Flüssigkeiten handelt. Es muss unter allen Umständen vermieden werden, dass diese kritischen Produkte aus der Pumpe in die Umgebung entweichen. In diesen Fällen setzen Unternehmen aus Sicherheitsgründen häufig Magnetkupplungspumpen anstatt Pumpen mit Gleitringdichtung ein. Im Vergleich zu Pumpen mit doppelten Gleitringdichtungen bietet die FPM-Baureihe den Vorteil der hermetischen Dichtheit sowohl zum Produkt als auch zur Atmosphäre. Weiterhin ist kein Sperr- oder Versorgungssystem notwendig.

Fristam setzt für die neue FPM-Pumpenbaureihe auf eine Volledelstahlkonstruktion in Blockbauweise und das gut zu reinigende offene Laufrad in Verbindung mit einer magnetgekuppelten Antriebseinheit. Die Pumpenleistung wird von der Antriebswelle über die Magnetkupplung berührungsfrei und schlupflos übertragen, so dass die Pumpendrehzahl immer der Antriebsdrehzahl entspricht, ein wesentlicher Aspekt für die optimale Pumpensteuerung. Hinzu kommt, dass durch die besondere Lagerung des Innenrotors der Magnetkupplung ausschließlich das Drehmoment und keine unerwünschten radialen Kräfte auf die Antriebswelle übertragen werden. Das maximal übertragbare Drehmoment liegt für die FPM-Pumpen bei etwa 450 Nm. Sie sind geeignet für Systemdrücke bis 25 bar, Förderdrücke bis 13 bar und Viskositäten bis ca. 500 mPas. Die Förderung von Flüssigkeiten mit einem Feststoffanteil von maximal 5 Gewichtsprozenten ist problemlos möglich.

Außer Förderlösungen mit magnetgekuppelter Kreiselpumpe bietet Fristam eine Kombination aus FPM-Pumpe und der hauseigenen Shearpump an, die seit einigen Monaten erfolgreich in der Biodieselherstellung eingesetzt wird. Der Fristam-Kunde nutzt die Kombination aus Kreiselpumpe und Shearpump, um Hilfsstoffe in das Diesel-Vorprodukt einzuarbeiten. Dadurch erhöhen sich die Produktqualität und die Prozesseffizienz erheblich.

EBARA Kreiselpumpen mit offenem Laufrad

EBARA bietet verschiedene Kreiselpumpen mit offenem Laufrad an, die sich durch ihre Konstruktion aus Edelstahl (V2A) auszeichnen. Hier eine Übersicht der verschiedenen Modelle:

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