Definition und Typen von Hydraulikpumpen

Hydraulikpumpen sind Arbeitsmaschinen, die kontinuierlich und/oder diskontinuierlich Flüssigkeitsmengen bewegen.

Die Pumpe liefert Mechanische Energie an eine Flüssigkeit, darunter:

Kinetische Energie – sorgt dafür, dass die Flüssigkeit an Geschwindigkeit gewinnt und beeinflusst somit die Durchflussrate.

Druckenergie, darunter:

• Geodätische Druckenergie: zum Anheben der Flüssigkeit in die Höhe.
• Piezometrische Druckenergie: zur Überwindung von Druckunterschieden in Rohrleitungen.

Hydraulikpumpen können je nach den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen, nach Art der zu verwendenden Flüssigkeit, nach Betriebsdruck, Temperatur und Systemcharakteristiken in verschiedenen Ausführungen angeboten werden.

Pumpen werden nach ihrem Funktionsprinzip und ihren Konstruktionsmerkmalen klassifiziert.

Diese Makro-Kategorien wiederum sind unterteilt in:

• Volumetrische Pumpen: Hubkolbenpumpen (Kolben- oder Membranpumpen), Rotationspumpen (Zahnradpumpen, Drehkolbenpumpen, Gleitschieber, verformbare Schieber, Exzenterschneckenpumpen, Pumpen mit elliptischem Rotor.
• Kinetische Pumpen: Zentrifugalpumpen (mit einem Laufrad, mit mehreren Laufrädern), Pumpturbinen (mit axialer Strömung, mit gemischter Strömung).
• Spezialpumpen: Peristaltische Pumpen, Flüssigkeits-Kolbenpumpen, Archimedische Schrauben, Air Lift oder Mammut, Ejektoren, Flüssigkeitsmischer.

Die Verwendung von Hydraulikpumpen in der Geschichte

Hydraulikpumpen werden erstmals im dritten Jahrhundert v. Chr. erwähnt. Die Erfindung geht zurück auf Archimedes, der die als Archimedische Schraube bekannte Pumpe entwarf – eine Vorrichtung, die große Flüssigkeitsmengen bei geringer Förderhöhe bewegen konnte. Die Archimedische Schraube wird auch heute noch verwendet, insbesondere im Bereich der Wasseraufbereitung.

In der gleichen historischen Periode wurde die Noria-Pumpe entwickelt, ein Mechanismus, mit dem Flüssigkeiten bei größeren Förderhöhen von 20 bis 30 Metern angehoben werden konnten. Der Funktionsablauf ist derselbe wie bei einer Mühle, bei der ein Wasserlauf als Quelle für Flüssigkeit und mechanische Energie dient. Die Flüssigkeit wird mit Hilfe von becherförmigen Gefäßen angehoben.

Um 1600 ermöglichte die Erfindung der ersten Pleuel-Kurbel-Systeme die Entwicklung der ersten Kolbenpumpen, die durch die Kraft der Arme angetrieben wurden. Mit dem Aufkommen von Dampf als Antriebsquelle konnte diese Art von Pumpe technologisch verbessert werden. Mit ihr konnten nun Flüssigkeiten in beträchtliche Tiefen angehoben werden, sodass sie auch in Bergwerken zur Entwässerung unterirdischer Brunnen eingesetzt wurde.

Im Laufe der Jahre ermöglichte der technische Fortschritt die Entwicklung von Systemen, mit denen große Flüssigkeitsmengen bei immer größeren Förderhöhen bewegt werden konnten: Der Einsatz von Verbrennungsmotoren und später von Elektromotoren legte den Grundstein für die Entwicklung von Rotationsmaschinen, die kinetische Energie in Druck umwandelten.

Technische Details zu Hydraulikpumpen

Wie wir gesehen haben, lassen sich Hydraulikpumpen in drei verschiedene Kategorien einteilen. Im Folgenden sehen wir uns diese Kategorien im Detail an:

Hubkolbenpumpen

Hubkolbenpumpen (oder Kolbenpumpen) zeichnen sich durch die abwechselnde geradlinige Bewegung des beweglichen Kolbens aus. Der Kolben übt Druck auf die Flüssigkeit aus und überträgt Energie auf sie. Dieser Pumpentyp eignet sich für besonders große Förderhöhen, wobei die Pumpenleistung von der Größe und Geschwindigkeit des Systems abhängt.

Hubkolbenpumpen können weiter in zwei Typen unterteilt werden:

• Kolbenpumpen: Diese Pumpen zeichnen sich durch einen Aufbau aus, bei dem die Bewegung der Flüssigkeit im Wesentlichen durch einen Kolben verursacht wird, der mit einem Pleuel-Kurbel-System verbunden ist.
• Membranpumpen, die sich durch eine Architektur auszeichnen, bei der die Flüssigkeit durch Membranen bewegt wird, die durch Luft oder andere Systeme in Bewegung gesetzt werden.

Ein Beispiel für Kolbenpumpen sind die Kraftstoffeinspritzpumpen moderner Dieselmotoren.

Zentrifugalpumpen

Zentrifugalpumpen bestehen aus einer Kammer mit zunehmendem Querschnitt, die als Spirale oder Diffusor bezeichnet wird und in der Mitte mit der Ansaugleitung und an der Peripherie mit der Druckleitung verbunden ist. Im Inneren der Spirale dreht sich mit hoher Geschwindigkeit (1.500 bis 3.000 U/min) ein rotierendes Teil, das als Impeller oder Impulstreiber bezeichnet wird. Die in der Spirale enthaltene Flüssigkeit wird aufgrund der hohen Winkelgeschwindigkeit, die das Laufrad überträgt, durch die Zentrifugalkraft zur Peripherie hin gedrückt, wodurch in der Mitte ein Unterdruck entsteht. Auf diese Weise wird ein Teil der kinetischen Energie in Druckenergie umgewandelt, wodurch die Flüssigkeit in die Druckleitung befördert wird und in der Mitte der Pumpe ein Unterdruck entsteht, der mehr Flüssigkeit aus der Saugleitung ansaugt.

Zentrifugalpumpen bestehen im Wesentlichen aus den folgenden Komponenten:

• Verteiler: Ein festes Teil, durch das die zu pumpende Flüssigkeit in axialer Richtung eintritt und dem Laufrad zugeführt wird.
• Diffusor: Auch Schnecke genannt; ein feststehendes Element, das die von der Flüssigkeit angesammelte kinetische Energie in Druckenergie umwandelt (durch allmähliche Vergrößerung der Querschnittsfläche dieses Teils) und so die Flüssigkeit in radialer Richtung zum Auslassrohr befördert.
• Laufrad: Das Laufrad ist ein rotierendes Teil in verschiedenen Formen und mit unterschiedlichen Profilen, das auf der Motorwelle sitzt und die Energie erhält, die auf die Flüssigkeit übertragen werden soll. Das Laufrad ist das Hauptelement der Pumpe. Sie besteht aus einer Reihe von Schaufeln, deren Krümmung zwei Anforderungen (hydraulische Aphorismen) erfüllen muss, um die Druckverluste der Pumpe zu minimieren:

Die Flüssigkeit muss stoßfrei in die Pumpe eintreten
Die die Pumpe verlassende Flüssigkeit muss mit der geringstmöglichen Geschwindigkeit austreten

Sie können zwischen verschiedenen Laufradmodellen wählen, abhängig von der benötigten Förderhöhe und der Art der zu fördernden Flüssigkeit:

• Radiallaufrad: Dieses Laufrad besteht aus einer Reihe von Schaufeln, die zwischen zwei mit der Pumpenwelle verzahnten Scheiben angeordnet sind, mit schmalem oder breitem Kanal und geraden oder gebogenen Schaufeln.
• Offenes Laufrad: Die Schaufeln dieses Laufrads sind schraubenförmig und direkt mit der Nabe verbunden. Dieser Laufradtyp eignet sich besonders für die Förderung von Flüssigkeiten mit suspendierten Feststoffen.

Zentrifugalpumpen, die große Förderhöhen überwinden und gleichzeitig eine hohe Förderleistung aufrechterhalten müssen, können mit mehreren Laufrädern ausgestattet sein. Bei diesen Modellen sind mehrere Laufräder mit der gleichen Welle verbunden. Aufgrund der inneren Geometrie muss die Flüssigkeit, die aus einem Laufrad austritt, in das nächste fließen. Die Pumpe funktioniert also wie mehrere Pumpen in Reihe, ist jedoch kompakter. Auf dem Markt sind sowohl Pumpen mit horizontaler als auch mit vertikaler Achse erhältlich. Pumpen mit vertikaler Achse eignen sich besonders, wenn der verfügbare Platz für die Installation sehr begrenzt ist, da der Motor direkt über der Pumpe platziert wird. Eine besondere Art von Pumpe mit vertikaler Achse ist die TAUCHPUMPE, bei der der Elektromotor in einem luftdichten Behälter untergebracht ist. Diese Pumpen können daher unterhalb des Flüssigkeitsspiegels installiert werden und kommen oft zum Einsatz, wenn Wasser aus besonders tiefen Brunnen oder unterirdischen Tanks befördert werden muss. Zentrifugalpumpen können auch selbstansaugend sein. Diese Pumpen sind im Gegensatz zu normalen Zentrifugalpumpen in der Lage, die in der Ansaugleitung enthaltene Luft anzusaugen und in der Pumpe ein Vakuum zu erzeugen, das das Ansaugen der zu pumpenden Flüssigkeit gewährleistet. Pumpen dieses Typs sind Einradpumpen und haben eine gute Förderhöhe, jedoch im Allgemeinen einen geringeren Wirkungsgrad als normale Zentrifugalpumpen, da ein Teil der gepumpten Flüssigkeit zurückgeführt wird. Abhängig von den technischen Vorkehrungen und den mechanischen Lösungen, die gewählt werden, gibt es im Wesentlichen zwei Varianten:

• Selbstansaugende Zentrifugalpumpen mit Seitenkanal: Diese Modelle verfügen über eine separate Kammer auf der äußersten Seite in zwei Sektoren, die die Saug- und Druckkammern darstellen. Im mittleren Bereich der beiden Kammern befindet sich jeweils eine Ansaug- und eine Drucköffnung. Auf der Rückseite dieser äußeren Kammer befindet sich eine Kammer, in der sich ein offenes, sternförmiges Laufrad mit minimalem Spiel dreht, um eine hohe Ansaugleistung zu gewährleisten. Das Laufrad arbeitet dabei in Kontakt mit dem Pumpenkörper und dem Verschluss und erzeugt so einen Unterdruck, der die Flüssigkeit aus der Ansaugkammer durch die Ladeöffnung zur Drucköffnung und dann in die Druckkammer zieht. In einer oder beiden Wänden der Kammer oder auf der Stirnseite des Rotors ist die Pumpe mit einer kreisförmigen Rille versehen, die die Form eines Kanals hat und eine sekundäre Flüssigkeitszirkulation zwischen dem Laufrad und den Seitenkanälen bewirkt.
• Selbstansaugende Zentrifugal-Flüssigkeitsringpumpen. Diese Pumpen sind mit einem offenen Sternlaufrad ausgestattet, das sich exzentrisch in der Pumpenkammer dreht. Die Drehung des Laufrads bewirkt, dass sich die zu pumpende Flüssigkeit am Rand der Kammer verdickt und einen Flüssigkeitsring bildet, der den Raum zwischen den Laufradschaufeln ausfüllt und die gesamte Luft verdrängt; dadurch entsteht ein fortschreitendes Vakuum, das das Ansaugen der Flüssigkeit bewirkt.

Zentrifugalpumpen kommen vor allem zum Pumpen von Chemikalien, Wasser, in der Landwirtschaft, in der Galvanik, in Rauchgasreinigungstürmen und in der petrochemischen Industrie zum Einsatz. Zentrifugalpumpen werden häufig wegen ihrer hohen Förderleistung, ihrer Kompatibilität mit abrasiven Lösungen, ihrem Mischpotenzial und ihrer relativ einfachen Konstruktion gewählt.

Rotationspumpen

Rotationspumpen zeichnen sich durch die langsame Drehbewegung der beweglichen Teile – Zahnräder oder Drehkolben – aus. Die Energieübertragung erfolgt durch Druckausübung auf die Flüssigkeit, ähnlich wie bei Kolbenpumpen. Zum Betrieb einer Rotationspumpe muss bei jeder Umdrehung ein festes Flüssigkeitsvolumen bewegt werden. Diese Pumpen sind selbstansaugend und liefern unabhängig vom Druck eine nahezu konstante Durchflussrate. Rotationspumpen sind mit sehr geringen Abständen zwischen den rotierenden und den feststehenden Teilen konstruiert, um die Verluste von der Druck- zur Saugseite zu minimieren.

Rotationspumpen lassen sich je nach Art ihrer beweglichen Teile in drei Typen einteilen:

• Zahnradpumpen, die die Bewegung von Zahnrädern nutzen, um Flüssigkeit durch Verdrängung zu pumpen. Dies Variante ist eine der gängigsten Pumpenarten für hydraulische Kraftanwendungen.
• Drehkolbenpumpen ähneln Zahnradpumpen, jedoch sind die Drehkolben so konstruiert, dass sie sich berühren und nicht miteinander drehen.

Rotationspumpen werden üblicherweise zur Umwälzung von Schmieröl in mechanischen Geräten oder zur Druckversorgung von Hydrauliksystemen eingesetzt.