Was ist eine Wirbelpumpe?

Im Bereich der industriellen Fluidförderung dominieren Standard-Kreiselpumpen häufig die Diskussion. Wenn ein System jedoch hohe Förderdrücke bei relativ niedrigen Durchflussmengen erfordert oder Fluide mit eingeschlossenem Gas fördern muss, stößt die Standard-Kreiselpumpenkonstruktion oft an Effizienzgrenzen oder Betriebsstabilitätsprobleme. Hier kommen die Wirbelpumpe (oft auch als regenerative Turbinenpumpe oder Peripheriepumpe bezeichnet) wird zur bevorzugten technischen Lösung.

Eine Wirbelpumpe ist eine kinetische Maschine, die die hydraulische Lücke zwischen Verdrängerpumpen und Kreiselpumpen schließt. Im Gegensatz zu einer Kreiselpumpe, die dem Fluid in einem einzigen Durchlauf durch das Laufrad Energie zuführt, nutzt eine Wirbelpumpe einen regenerativen Prozess, bei dem das Fluid mehrfach zwischen den Laufradschaufeln und dem Gehäusekanal zirkuliert. Dieser Mechanismus ermöglicht die Erzeugung hoher Förderhöhen bei kompakter Bauweise und macht sie unverzichtbar für Präzisionsindustrien wie die Halbleiterfertigung, die chemische Verarbeitung und das Wärmemanagement.

Dieser Leitfaden analysiert die technischen Mechanismen, die hydraulischen Eigenschaften und die Auswahlkriterien dieser Pumpen und verweist dabei auf spezifische Leistungsmerkmale der Aulank-Serien PWH, WK und WD.

Das Funktionsprinzip einer regenerativen Turbinenpumpe verstehen

Um den Nutzen einer Wirbelpumpe zu verstehen, muss man zunächst das Funktionsprinzip der regenerativen Turbinenpumpe kennen. Obwohl sie kinetisch als Rotationspumpe klassifiziert wird, unterscheidet sich ihre interne Fluiddynamik grundlegend von der einer Spiralgehäuse-Kreiselpumpe.

Das Kernstück ist das Laufrad, dessen Umfang mit radial angeordneten Schaufeln versehen ist. Während sich das Laufrad dreht, strömt Flüssigkeit durch den Sauganschluss in den ringförmigen Kanal, der die Schaufeln umgibt. Die Zentrifugalkraft drückt die Flüssigkeit nach außen zum Umfang des Laufrads. Anstatt jedoch das Gehäuse zu verlassen (wie bei einer herkömmlichen Kreiselpumpe), wird die Flüssigkeit durch die Gehäuseauskleidung zurück in den Schaufelfuß des nächsten Laufrads gelenkt.

Diese Rezirkulation erzeugt eine spiralförmige oder Wirbelbewegung. Jedes Mal, wenn das Fluid wieder in die Schaufel eintritt, gewinnt es zusätzliche kinetische Energie. Dieses Phänomen, die sogenannte Regeneration, ermöglicht es der Pumpe, den Druck schrittweise aufzubauen, während das Fluid vom Saug- zum Druckbereich strömt. Folglich kann eine kleine industrielle Wasserpumpe mit dieser Konstruktion Förderhöhen erreichen, die denen einer wesentlich größeren mehrstufigen Kreiselpumpe entsprechen.

Diese spezielle hydraulische Wirkungsweise macht diese Pumpen unverzichtbar für Anwendungen, die eine Pumpe mit geringem Fördervolumen und hoher Förderhöhe erfordern. Die Energieübertragung ist kumulativ und ermöglicht so die Überwindung von Systemwiderständen, die eine herkömmliche Kreiselpumpe ähnlicher Größe zum Stillstand bringen würden.

Periphere Pumpenkonstruktion: Der Vorteil des versenkten Laufrads

In der Fachsprache wird der Begriff „Wirbelpumpe“ mitunter synonym mit „Umfangspumpe“ verwendet. Die Konstruktion dieser Pumpen zeichnet sich durch geringe interne Toleranzen und spezifische Gehäusegeometrien aus.

Das Aulank-Wirbellaufrad ist so konstruiert, dass es hydraulische Effizienz und Betriebsstabilität optimal vereint. Beispielsweise ist bei den Serien WD und WD-W (erhältlich in Messing oder Edelstahl) das Laufrad in einem Gehäuse untergebracht, das interne Rezirkulationsverluste minimiert und gleichzeitig den erforderlichen Spalt zur Vermeidung von mechanischem Kontakt gewährleistet. Diese Konstruktion ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der für diesen Pumpentyp charakteristischen steilen Leistungskennlinie.

Herkömmliche Peripheriepumpen reagieren jedoch bekanntermaßen empfindlich auf Feststoffe. Um dem entgegenzuwirken, verwenden die WK-Hochdruck-Wirbelpumpe und die WL-Vertikal-Wirbelpumpe von Aulank modifizierte Konstruktionen. Durch den Einsatz eines vertieften Laufrads anstelle eines offenen Laufrads in bestimmten Modellen erzeugt die Pumpe einen hydraulischen Wirbel, der einen Durchfluss des Fluids durch das Gehäuse mit minimalem Schaufelkontakt ermöglicht. Diese Anpassung ist entscheidend, wenn das Medium kein absolut reines Wasser ist, sondern feine Partikel enthalten kann, wie sie typischerweise in industriellen Kühlkreisläufen vorkommen.

Die Werkstoffe für das Pumpengehäuse spielen hier eine entscheidende Rolle. Aulank bietet Optionen von Gusseisen und Sphäroguss für allgemeine industrielle Anwendungen bis hin zu Edelstahl (304/316) und Fluorpolymer-Auskleidungen (F46/PFA) für chemische Beständigkeit. Die Materialwahl bestimmt die Lebensdauer der Pumpe, insbesondere beim Fördern aggressiver Medien in chemischen Prozesspumpen.

Leistungsmerkmale von Wirbellaufradpumpen im Vergleich zu Kreiselpumpen

Ingenieure müssen die Besonderheiten der Pumpenkennlinie von Wirbelpumpen im Vergleich zu herkömmlichen Kreiselpumpen verstehen.

Eine Standard-Kreiselpumpe weist eine relativ flache Förderhöhen-Leistungs-Kennlinie auf. Im Gegensatz dazu zeigt eine Wirbellaufradpumpe eine steile Kennlinie. Dies bedeutet, dass kleine Änderungen der Fördermenge zu signifikanten Änderungen des Förderdrucks führen und umgekehrt die Fördermenge relativ konstant bleibt, selbst wenn der Systemdruck schwankt.

Wichtigste Leistungsmerkmale:

• Steile HQ-Kurve: Die Förderhöhe steigt mit abnehmendem Durchfluss stark an. Dadurch eignet sich die Pumpe ideal für Anwendungen, bei denen kein konstanter Durchfluss erforderlich ist, die Aufrechterhaltung des Systemdrucks jedoch entscheidend ist.
• Leistungskurve: Im Gegensatz zu Kreiselpumpen, deren Leistungsaufnahme beim Abschalten (Null-Durchfluss) sinkt, steigt die Leistungsaufnahme einer Regenerativpumpe im Vergleich zu einer Kreiselpumpe mit abnehmendem Durchfluss und erreicht beim Abschalten ihren Höchstwert. Daher dürfen diese Pumpen niemals ohne Überdruckventil gegen ein geschlossenes Auslassventil betrieben werden.
• Effizienzfenster: Diese Pumpen zeichnen sich durch ihre besondere hydraulische Leistungsfähigkeit im Bereich niedriger spezifischer Drehzahlen aus – wo der Durchfluss gering ist (z. B. 0,5 bis 15 m³/h) und die Förderhöhe hoch ist (bis zu 150 m oder mehr).

Diese Eigenschaft macht sie zu einer überlegenen Alternative zu mehrstufigen Pumpen. Anstatt eine sperrige, teure vertikale mehrstufige Pumpe für eine Fördermenge von 5 m³/h und eine Förderhöhe von 60 m zu installieren, kann eine kompakte einstufige Pumpe der Aulank WK-Serie die gleiche Leistung bei deutlich geringerem Platzbedarf erbringen.

Warum sollte man für industrielle Systeme eine Pumpe mit hoher Förderhöhe und geringem Durchfluss verwenden?

Der Hauptvorteil der Aulank-Produktlinie liegt in ihrer Klassifizierung als Hochdruck-Niedrigdurchflusspumpe. Viele moderne Industrieprozesse erfordern eine präzise Temperaturregelung oder Einspritzung, was einen hohen Druck zur Überwindung des Wärmetauscherwiderstands oder des Düsengegendrucks bedingt, jedoch keine großen Flüssigkeitsmengen benötigt.

Betrachten wir beispielsweise eine Hochdruck-Kühlmittelpumpe für die CNC-Bearbeitung oder die Auswahl einer geeigneten Speisewasserpumpe für kleine Dampferzeuger. Eine standardmäßige Kreiselpumpe, die für den erforderlichen Druck ausgelegt ist, würde einen zu hohen Durchfluss erzeugen, was zu Drosselung (und damit zu Energieverschwendung) oder Kavitation führen würde. Eine Verdrängerpumpe wäre zwar möglich, würde aber durch Pulsationsdämpfer und Sicherheitsventile die Komplexität erhöhen.

Die Wirbelpumpe füllt diese Nische perfekt aus. Sie bietet die für eine Hochtemperatur-Umwälzpumpe in Formtemperaturreglern (TCUs) erforderliche lineare Strömungsstabilität ohne die Komplexität von Kolben oder Zahnrädern.

Datenvergleich: Wirbel vs. Zentrifugalkraft vs. Verdrängungskraft

Tabelle 1: Vergleichende Analyse von Pumpentechnologien für industrielle Anwendungen.

Laut einer Industriemarktanalyse von Grand View Research aus dem Jahr 2024 treibt die Nachfrage nach intelligenten und energieeffizienten Fluidfördersystemen im asiatisch-pazifischen Raum den Einsatz spezialisierter Pumpen voran, die den Bedarf an überdimensionierten Anlagen in der Fertigungsindustrie reduzieren. Dieser Trend bestätigt die Verlagerung hin zu kompakten, energieeffizienten Industriepumpen wie der Aulank-Vortex-Serie für gezielte Kühl- und Förderaufgaben.

Umgang mit mitgerissenem Gas: Die einzigartige Fähigkeit von Gas-Flüssigkeits-Mischpumpen

Eine der häufigsten Ursachen für Kavitationsprobleme und Lufteinschlüsse in Standardpumpen ist das Vorhandensein von mitgerissenem Gas. Gelangen Gasblasen in das Laufradauge einer Standard-Kreiselpumpe, sammeln sie sich an, blockieren den Flüssigkeitsweg und führen zum Ansaugverlust der Pumpe.

Die Pumpen der Serien WD und WD-W von Aulank fungieren als Spezialpumpen für die Gas-Flüssigkeits-Mischung. Durch die regenerative Wirkung des Laufrads werden Gasblasen in mikroskopisch kleine Partikel zerteilt und zusammen mit der Flüssigkeit durch das Gehäuse transportiert. Die Strömungsgeschwindigkeit im Mischkanal entfernt die Blasen effektiv von den Laufradschaufeln.

Diese Eigenschaft ermöglicht es Aulank-Wirbelpumpen, Flüssigkeiten mit bis zu 50 % eingeschlossenem Gas ohne Dampfblasenbildung zu fördern. Diese Funktion ist entscheidend für:

1. Systeme mit gelöster Luftflotation (DAF) in der Abwasserbehandlung.

2. Anwendungen von Mikroblasengeneratorpumpen zur Ozoninjektion.

3. Verdunstungskühlsysteme, bei denen die Flüssigkeit sich dem Siedepunkt annähern kann.

Durch ihre Funktion als selbstansaugende Wirbelpumpe können diese Einheiten Luft aus der Saugleitung absaugen (vorausgesetzt, das Gehäuse enthält anfänglich Flüssigkeit), wodurch die Systemkonstruktion vereinfacht wird, da in bestimmten Konfigurationen keine externen Vakuumpumpen oder Fußventile mehr benötigt werden.

WD Vortexpumpe aus Messing/Edelstahl für die Zirkulation von Hochtemperaturwasser und -öl

WD-W Vortexpumpe aus Messing/Edelstahl für Hochtemperatur-Heißwasser- und Ölförderung

Lösungen für absolute Dichtheit: Die gekapselte Motor-Vortexpumpe

In Branchen wie der Halbleiterfertigung und der Erneuerbaren Energien ist Leckage nicht nur ein Wartungsproblem, sondern stellt eine Sicherheitsgefahr und ein Kontaminationsrisiko dar. Daher ist der Einsatz einer gekapselten Wirbelpumpe erforderlich.

Die Serien PWH, PWD und PWM von Aulank vereinen die Vorteile der Wirbelhydraulik mit einem hermetisch abgedichteten Gehäusemotor. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen, an einen Motor gekoppelten Pumpe besteht die Gehäusemotorpumpe aus einer einzigen Einheit, bei der Stator und Rotor durch eine nichtmagnetische, korrosionsbeständige Auskleidung (Gehäuse) voneinander getrennt sind. Das Fördermedium zirkuliert durch die Rotorkammer, schmiert die Gleitlager und kühlt den Motor.

Vorteile der Spaltrohrmotortechnologie:

• Null Leckage: Keine mechanischen Dichtungen, die ausfallen könnten. Dies ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen mit kryogenen Flüssigkeitstransferpumpen (-196 °C) oder Hochtemperaturflüssigkeiten (+400 °C), bei denen Dichtungselastomere sich zersetzen würden.
• Kompaktes Design: Durch den Wegfall der Anforderungen an Kopplung und Ausrichtung verringert sich der Platzbedarf bei der Installation erheblich.
• Geräuschreduzierung: Die Geräuschreduzierung der Pumpe ist konstruktionsbedingt, da der Wassermantel die Motorgeräusche dämpft, wodurch sie sich für ruhige Labor- oder Reinraumumgebungen eignet.

Beim Vergleich einer magnetisch angetriebenen Turbinenpumpe mit einer gekapselten Motorkonstruktion bietet der gekapselte Motor häufig eine überlegene Wärmeableitung für Anwendungen bei extremen Temperaturen (Hochtemperatur +400°C), wie in den Produktspezifikationen von Aulank festgelegt.

PWH Edelstahl-Vortexpumpe mit Gehäuse für industrielle Flüssigkeitsförderung

PWD Edelstahl-Vortexpumpe mit Gehäuse für die Förderung chemischer Flüssigkeiten

PWM-Edelstahl-Vortexpumpe mit gekapselter Bauweise für Hochdruck-Flüssigkeitsumwälzung

Wichtigste Anwendungsgebiete für industrielle Turbinenpumpen in der Prozessfertigung

Die Vielseitigkeit der industriellen Turbinenpumpe (ein anderes Synonym für Wirbelpumpe) ermöglicht es ihr, als Herzstück verschiedener spezialisierter Teilsysteme zu dienen.

Halbleiter & Elektronik:

Im Nassverfahren liegt ein Schwerpunkt der Anwendungen von Peripheriepumpen auf der Zirkulation von deionisiertem Wasser und dielektrischen Flüssigkeiten. Die Aulank-Regenerativpumpe aus Edelstahl gewährleistet, dass keine metallischen Verunreinigungen (Ionen) in den Reinstwasserstrom gelangen und somit die Reinraumstandards eingehalten werden.

Neue Energien & Batterien:

Für die Kühlung von Wasserstoff-Brennstoffzellen und die Befüllung von Lithiumbatterien mit Elektrolyt müssen Pumpen die spezifischen Gewichte und Viskositäten bewältigen und gleichzeitig den Druck aufrechterhalten. Um der korrosiven Wirkung der Elektrolyte standzuhalten, ist häufig ein chemikalienbeständiges Hastelloy-Pumpenprofil erforderlich (erhältlich in kundenspezifischen Aulank-Lösungen).

Thermische Regelungssysteme:

Dies ist das Kerngebiet von Aulank. Von Temperaturreglern für Spritzgussanwendungen bis hin zu Kesselspeisewasserpumpen – die Fähigkeit, schnelle Temperaturschwankungen von -196 °C (Flüssigstickstoff) bis +400 °C (Thermoöl) ohne Ausfall der Gleitringdichtung, beispielsweise durch Thermoschock, zu bewältigen, ist ein herausragendes Merkmal der PWH-Serie.

Auswahlhilfe: Dimensionierung einer kleinen kinetischen Pumpe für Ihr System

Die Auswahl der richtigen kleinen kinetischen Pumpe erfordert mehr als nur die Abstimmung von Fördermenge und Förderhöhe. Eine sorgfältige technische Bewertung ist notwendig, um langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

1. Tastverhältnis und Systemkennlinie:

Ermitteln Sie den Schnittpunkt der Pumpenkennlinie und der Pumpenkennlinie. Bei Wirbelpumpen muss der Betriebspunkt rechts von der Abschalthöhe liegen, um Überdruck zu vermeiden, jedoch nicht so weit rechts, dass der Wirkungsgrad sinkt. Die Wahl des Betriebspunktes ist entscheidend, um eine Motorüberlastung zu verhindern.

2. NPSH-Berechnung:

Die NPSH-Berechnung für Wirbelpumpen ist unerlässlich, insbesondere bei heißen Medien oder flüchtigen Lösungsmitteln. Die verfügbare Netto-Saughöhe (NPSHa) muss die erforderliche Netto-Saughöhe (NPSHr) übersteigen. Wirbelpumpen benötigen im Allgemeinen eine höhere Netto-Saughöhe als Standard-Kreiselpumpen. Besteht aufgrund der Strömungsdynamik in der Pumpe die Gefahr von Kavitation, empfiehlt Aulank eine geflutete Saugseite oder die Erhöhung der statischen Förderhöhe auf der Saugseite.

3. Viskositätsbetrachtungen:

Der Einfluss der Viskosität auf die Pumpenleistung ist bei Wirbelpumpen stärker ausgeprägt als bei Verdrängerpumpen. Mit steigender Viskosität nehmen die Reibungsverluste in den engen Spalten des Regenerativkanals rapide zu, was Förderhöhe und Wirkungsgrad verringert. Diese Pumpen eignen sich am besten für niedrigviskose Flüssigkeiten (typischerweise unter 50 cSt).

4. Materialverträglichkeit:

Für Meerwasser oder Sole bietet eine Messing-Laufradpumpe (Serie WD) eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Biofouling und Korrosion. In sauren Umgebungen empfiehlt sich bei der Auswahl einer chemischen Prozesspumpe eine Ausführung aus Edelstahl 316 oder eine beschichtete Variante.

5. Installation und Wartung:

Die fachgerechte Installation von vertikalen Inline-Pumpen (für die WL-Serie) spart Stellfläche. Eine umfassende Wartungsanleitung für Industriepumpen sollte die Überwachung der Laufradspiel-Einstellung beinhalten. Mit der Zeit vergrößert der Verschleiß an den Laufradschaufeln oder der Gehäuseauskleidung das Spiel und reduziert so die Druckleistung. Regelmäßige Inspektionen ermöglichen den rechtzeitigen Austausch von Teilen, um die hydraulischen Wirkungsgradparameter wieder auf die Werksvorgaben zu bringen.

Abschluss

Die Wirbelwasserpumpe ist ein Meisterwerk der Hydraulik und löst die spezifischen Herausforderungen der Förderung von Flüssigkeiten mit hohem Druck, geringem Durchfluss und Gasbeimischung, die herkömmliche Pumpen nicht effizient bewältigen können. Ob Sie die Aulank PWH-Serie für die extreme Temperaturregelung (-196 °C bis +400 °C) oder die WD-Serie für die Gas-Flüssigkeits-Mischung einsetzen – das Verständnis der einzigartigen Eigenschaften des regenerativen Turbinenprinzips ist der Schlüssel zur Optimierung Ihres Prozesssystems.

Durch die Auswahl einer speziell für diese Parameter entwickelten Pumpe können Ingenieure den Bedarf an überdimensionierten mehrstufigen Einheiten eliminieren, Probleme im Zusammenhang mit Kavitation reduzieren und einen stabilen, leckagefreien Betrieb erreichen.

Detaillierte Leistungskurven und spezifische Modellkonfigurationen unserer Hochdruck-Wirbelpumpen und Spaltrohrmotoren finden Sie im Aulank-Produktkatalog.

Referenzen:

• Grand View Research. (2024). Marktbericht für Industriepumpen: Größe, Marktanteil und Trendanalyse nach Produkt (Kreiselpumpen, Verdrängerpumpen), nach Anwendung (Wasser und Abwasser, Öl und Gas), nach Region und Segmentprognosen, 2024 - 2030.