Was ist der Unterschied zwischen horizontalen und vertikalen Axialpumpen – und welche sollten Sie wählen?

Axialpumpen besetzen eine spezifische und äußerst wichtige Nische in der Flüssigkeitsfördertechnik – sie sind die bevorzugte Wahl überall dort, wo sehr hohe Durchflussraten gegen relativ niedrige Förderhöhen bewegt werden müssen und wo die physische Konfiguration des Installationsorts Anforderungen an die Ausrichtung, Stellfläche und Eintaucheigenschaften der Pumpe stellt. Die beiden Hauptkonfigurationen von Axialpumpen – horizontal und vertikal – haben dasselbe grundlegende hydraulische Funktionsprinzip, unterscheiden sich jedoch erheblich in ihrer mechanischen Anordnung, den Installationsanforderungen, den Leistungsmerkmalen an bestimmten Betriebspunkten und der Eignung für verschiedene Anwendungsumgebungen. Die Wahl zwischen horizontalen und vertikalen Axialpumpen ohne ein klares Verständnis dieser Unterschiede führt häufig dazu, dass Pumpsysteme mechanisch einwandfrei, aber betrieblich beeinträchtigt sind – sie erzeugen entweder einen unzureichenden Durchfluss, verbrauchen übermäßig viel Energie, erfordern unpraktische Bauarbeiten oder erfordern einen Wartungszugang, den die Anlage nicht bietet. In diesem Artikel werden beide Konfigurationen im technischen Detail untersucht, das für eine fundierte Auswahlentscheidung erforderlich ist.

Funktionsweise von Axialpumpen: Das gemeinsame Funktionsprinzip

Bevor wir die Unterschiede zwischen horizontalen und vertikalen Konfigurationen untersuchen, ist es wichtig, das hydraulische Prinzip zu verstehen, das beiden gemeinsam ist. Eine Axialpumpe – auch Propellerpumpe genannt – bewegt Flüssigkeit mithilfe eines Laufrads, das aus einer Reihe abgewinkelter Schaufeln besteht, die um eine zentrale Nabe angeordnet sind, ähnlich im Konzept einem Schiffspropeller. Wenn sich das Laufrad dreht, verleiht der Schaufelwinkel der Flüssigkeit einen Impuls in axialer Richtung – parallel zur Pumpenwelle – und nicht in radialer Richtung wie bei Kreiselpumpen. Diese axiale Impulsübertragung bewegt große Flüssigkeitsvolumina mit relativ geringem Druckanstieg pro Stufe, weshalb Axialpumpen durch sehr hohe spezifische Geschwindigkeitswerte (Ns typischerweise 8.000 bis 20.000 in US-amerikanischen Einheiten oder 150 bis 400 in SI-Einheiten), sehr hohe Durchflussraten und eine im Vergleich zu Zentrifugal- oder Mixed-Flow-Konstruktionen geringe entwickelte Förderhöhe gekennzeichnet sind.

Dem Laufrad einer Axialpumpe folgen Leitschaufeln (Diffusorschaufeln), die die von den rotierenden Schaufeln auf die Flüssigkeit ausgeübte Wirbelkomponente entfernen und die verbleibende kinetische Rotationsenergie in zusätzliche Druckrückgewinnung umwandeln. Der Wirkungsgrad einer Axialpumpe hängt stark von der Übereinstimmung zwischen Betriebspunkt und Auslegungspunkt ab. Axialpumpen weisen bei niedrigen Durchflussraten steile, instabile Förderhöhenkurven auf und können Betriebsinstabilitäten wie Druckstöße, Vibrationen und Strömungsabrisse aufweisen, wenn sie deutlich unter ihrem Auslegungsdurchfluss betrieben werden. Diese Eigenschaft bedeutet, dass eine genaue Berechnung des Systemwiderstands und die Anpassung des Betriebspunkts für die Auswahl einer Axialpumpe wichtiger sind als für Kreiselpumpenanwendungen, bei denen die flachere Förderhöhenkurve mehr Toleranz für Betriebspunktschwankungen bietet.

Vertikale Axialpumpen: Design, Vorteile und Anwendungen

Vertikale Axialpumpen sind die vorherrschende Konfiguration in groß angelegten Wassermanagement-, Bewässerungs-, Entwässerungs-, Hochwasserschutz- und industriellen Kühlanwendungen. In dieser Konfiguration ist die Pumpenwelle vertikal ausgerichtet, die Laufradbaugruppe ist in die gepumpte Flüssigkeit eingetaucht und der Motor ist oberhalb der Wasseroberfläche montiert – entweder direkt mit der Pumpenwelle oben in der Säule verbunden oder über ein rechtwinkliges Getriebe verbunden, wenn die Motorausrichtung oder die Geschwindigkeitsanforderungen dies erfordern. Das Fördermedium tritt von unten in axialer Richtung in das Laufrad ein und wird durch die Pumpensäule nach oben zum Oberflächenauslass abgegeben.

Strukturelle Konfiguration vertikaler Axialpumpen

Eine vertikale Axialpumpeninstallation besteht aus mehreren unterschiedlichen mechanischen Abschnitten, die vertikal montiert sind. Die Pumpengehäusebaugruppe unten enthält das Laufrad, die Leitschaufeln und das Gehäusegehäuse – dies ist das hydraulische Herzstück der Pumpe, das die eigentliche Flüssigkeitsarbeit übernimmt. Der Säulenrohrabschnitt erstreckt sich von der Trommelbaugruppe bis zur Oberfläche, befördert die gepumpte Flüssigkeit nach oben und beherbergt die Antriebswelle, die das Unterwasserlaufrad mit dem oberflächenmontierten Motor verbindet. An der Oberfläche dient die Auslasskopfbaugruppe als strukturelle Halterung für den Motor, als Lagergehäuse für die Oberseite der Antriebswelle und als Übergang zur horizontalen Auslassleitung. Die Antriebswelle läuft innerhalb der Säule durch eine Reihe von Zwischenwellenlagern, die in regelmäßigen Abständen – typischerweise alle 1,5 bis 3 Meter – angeordnet sind, um Wellenschläge zu verhindern und die Konzentrizität aufrechtzuerhalten. Die Schmierung dieser Zwischenlager erfolgt entweder durch die nach oben durch die Säule strömende Förderflüssigkeit oder durch ein separates Wasser- oder Ölschmiersystem, abhängig von den Eigenschaften der Förderflüssigkeit.

Hauptvorteile vertikaler Axialpumpen

Die vertikale Konfiguration bietet gegenüber horizontalen Anordnungen mehrere wesentliche Vorteile für viele Pumpenanwendungen mit hohem Volumen und geringer Förderhöhe. Der Motor und alle elektrischen Geräte bleiben über der Wasseroberfläche und sind vor Überschwemmungen geschützt – ein entscheidender Sicherheits- und Betriebsvorteil in Hochwasserschutz- und Entwässerungspumpwerken, bei denen die Pumpe auch bei steigenden Wasserständen, die eine horizontale Motorinstallation überfluten könnten, weiterbetrieben werden muss. Der Tauchpumpenbehälter erfordert kein Ansaugen, da er ständig im Quellwasser eingetaucht ist. Dadurch entfallen die Ansauginfrastruktur und die Betriebsabläufe, die für horizontale Installationen erforderlich sind, bei denen die Pumpe über der Wasserquelle montiert ist. Die vertikale Konfiguration minimiert auch die Grundfläche des Nassbrunnens pro Pumpe – nur der Durchmesser der Pumpenglocke nimmt den Grundriss des Nassbrunnens auf Pumpenebene ein, während bei einer horizontalen Pumpe die gesamte Länge und der Zugangsspielraum innerhalb der Nassstruktur untergebracht werden müssten.

Horizontale Axialpumpen: Design, Vorteile und Anwendungen

Horizontale Axialpumpen richten die Pumpenwelle horizontal aus, wobei der Motor seitlich oder koaxial an einem Ende montiert ist und das Laufrad in einem horizontalen Gehäuse untergebracht ist, das in einer geraden oder gebogenen Anordnung mit der Saug- und Druckleitung verbunden ist. Diese Konfiguration ist in der vertikalen Dimension physisch kompakter – die gesamte Pumpenbaugruppe nimmt nur die Höhe des Gehäuses und des Motors ein und benötigt keine ausreichende Tiefe für eine untergetauchte Schüssel und Säule – was sie zur bevorzugten Wahl macht, wenn die Installationstiefe begrenzt ist, die Pumpe an oder über der Betriebswasseroberfläche montiert werden muss oder wenn der Wartungszugang von der Seite oder von oben an der Pumpe dem Arbeiten an Geräten vorzuziehen ist, die vertikal durch eine Pumpensäule verteilt sind.

Konstruktion und Fließweg

Bei einer horizontalen Axialpumpe tritt die Flüssigkeit durch eine Einlassglocke oder einen Ansaugkrümmer, die so ausgerichtet ist, dass sie eine axiale Strömung in die rotierenden Schaufeln liefert, in das Laufrad ein, passiert die Laufrad- und Leitschaufelbaugruppe und tritt durch das Auslassgehäuse in die horizontale Auslassrohrleitung aus. Die Wellendichtungsanordnung an der Stelle, an der die Welle das Pumpengehäuse verlässt, um sie mit dem Motor oder der Kupplung zu verbinden, ist ein kritischer Konstruktionsbereich. Horizontale Axialpumpen für sauberes Wasser können mechanische Dichtungen oder Stopfbuchsen verwenden, während Pumpen, die abrasive, chemische oder Prozessflüssigkeiten fördern, speziellere Dichtungsanordnungen erfordern, einschließlich doppelter mechanischer Dichtungen mit Sperrflüssigkeitssystemen. Im Gegensatz zu vertikalen Konfigurationen, bei denen für Installationen mit langen Säulen Zwischenwellenlager erforderlich sind, nutzen horizontale Axialpumpen nur die Lager an jedem Ende der relativ kurzen Welle, wodurch das Lagersystem vereinfacht und die Anzahl der Schmierstellen reduziert wird, die gewartet werden müssen.

Wo sich die horizontale Konfiguration auszeichnet

Horizontale Axialpumpen eignen sich besonders gut für Anwendungen, bei denen die verfügbare Bauwerkstiefe begrenzt ist – wie z. B. in bestehende Dämme eingebaute Wassereinlassanlagen, Gezeitenstaumauern oder Kanalströmungsumleitungsbauwerke, bei denen der Wasserspiegel auf oder nahe dem Bodenniveau liegen kann. Bei industriellen Prozessanwendungen mit korrosiven, viskosen oder feststoffhaltigen Flüssigkeiten ermöglicht die horizontale Konfiguration einen einfacheren Zugang zur mechanischen Dichtung, zu den Lagern und zum Laufrad für Inspektion und Austausch, ohne dass eine Demontage einer vertikalen Säulenstruktur erforderlich ist. Horizontale Axialpumpen werden auch für mobile oder temporäre Pumpanwendungen bevorzugt – Entwässerung von Baustellen, temporäre Bewässerungssysteme und Nothilfe bei Überschwemmungen –, bei denen die Pumpe schnell eingesetzt, positioniert und wiederhergestellt werden muss, ohne dass die zivile Infrastruktur erforderlich ist, die eine permanente vertikale Pumpeninstallation erfordert.

Leistungsvergleich: Schlüsselparameter nebeneinander

Obwohl beiden Konfigurationen das gleiche Hydraulikprinzip zugrunde liegt, unterscheiden sich ihre praktischen Leistungsmerkmale in einer Weise, die für die Anwendungseignung und das Systemdesign direkt relevant ist. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Vergleichsparameter zusammen.

Zivile und bauliche Anforderungen: Ein entscheidender Auswahlfaktor

Die baulichen und strukturellen Anforderungen horizontaler versus vertikaler Axialpumpeninstallationen bestimmen häufig die Wahl der Konfiguration, bevor Überlegungen zur hydraulischen Leistung überhaupt bewertet werden – insbesondere bei Nachrüstungs- oder Modernisierungsprojekten, bei denen bestehende Bauarbeiten die Installationsmöglichkeiten einschränken. Das detaillierte Verständnis dieser zivilrechtlichen Anforderungen ist daher ein wesentlicher Bestandteil jedes Auswahlprozesses für Axialpumpen.

Vertikale Pumpeninstallationen mit axialer Strömung erfordern einen Nassbrunnen oder Sumpf mit ausreichender Tiefe, um die Pumpenbehälterbaugruppe bei der erforderlichen Eintauchtiefe unter den minimalen Betriebswasserspiegel sowie die gesamte Säulenlänge vom Behälter bis zur Oberfläche sowie einen ausreichenden Freiraum unter dem Behälter für einen ungehinderten Zufluss unterzubringen. Die Mindesteintauchtiefe – die Tiefe der Flüssigkeit über der Laufradmitte, die erforderlich ist, um Verwirbelungen und Lufteinschlüsse zu verhindern – beträgt bei Installationen mit offenem Sumpf typischerweise das Ein- bis Zweifache des Pumpeneinlassdurchmessers und muss über den gesamten Betriebsbereich des Wasserstands eingehalten werden. Wenn mit schwankenden Wasserständen zu rechnen ist, muss die Säulenlänge möglicherweise so ausgelegt werden, dass sie bei minimalem Wasserstand eine ausreichende Überflutung gewährleistet und gleichzeitig den Motor von der maximalen Überschwemmungsebene am oberen Ende der Anlage fernhält – eine Einschränkung, die bei Standorten mit großen Wasserstandsschwankungen im Betrieb zu sehr langen Säulenbaugruppen führen kann.

Horizontale Axialpumpeninstallationen erfordern viel weniger Tiefe – das Pumpengehäuse muss nur so positioniert werden, dass eine positive Saughöhe an der Mittellinie des Laufrads aufrechterhalten wird, was bei einer Pumpe, die auf oder in der Nähe des Wasserspiegels installiert ist, mit einer flachen Ansaugstruktur oder einem kurzen Saugkrümmer erreicht werden kann. Horizontale Installationen erfordern jedoch mehr Grundfläche, mehr strukturelle Unterstützung für das horizontale Gehäuse und die Motorbaugruppe und – bei Anwendungen, bei denen die Pumpe über der Wasseroberfläche montiert ist – Ansaugsysteme und möglicherweise Fußventile oder vakuumunterstützte Startanordnungen, um vor dem Start eine erste Ansaugung zu gewährleisten. Diese zusätzlichen Systeme erhöhen die Kapitalkosten und erhöhen die Betriebskomplexität, die durch die selbstansaugende Eigenschaft einer vertikalen Unterwasserinstallation vermieden wird.

Laufräder mit einstellbarer Steigung und Antriebe mit variabler Geschwindigkeit

Sowohl vertikale als auch horizontale Axialpumpen sind entweder mit Laufrädern mit fester Steigung oder mit einstellbarer Steigung erhältlich. Diese Fähigkeit wirkt sich erheblich auf die Betriebsflexibilität der Pumpe aus – ein besonders wichtiger Gesichtspunkt angesichts des steilen, engen Betriebsbereichs von Axialpumpen in einer Konfiguration mit fester Steigung und fester Drehzahl.

Axialpumpen mit fester Steigung bieten nur am Auslegungsbetriebspunkt maximale Effizienz, wobei die Effizienz schnell abnimmt, wenn Durchfluss oder Förderhöhe von den Auslegungsbedingungen abweichen. In Installationen, in denen die Förderhöhe des Systems relativ konstant und die erforderliche Durchflussrate stabil ist, sind Pumpen mit fester Steigung einfacher und kostengünstiger. Laufräder mit einstellbarer Steigung – bei denen der Schaufelwinkel entweder manuell (offline) oder automatisch unter Last über einen hydraulischen oder elektrischen Antriebsmechanismus geändert werden kann – ermöglichen eine Verschiebung der Pumpenkennlinie, um sich an unterschiedliche Systemanforderungen anzupassen, ohne die Pumpengeschwindigkeit zu ändern. Dies macht Axialpumpen mit einstellbarer Steigung besonders wertvoll in Bewässerungskanalsystemen, in denen die erforderliche Förderhöhe und der Durchfluss saisonal variieren, in Gezeitenpumpstationen, in denen sich die Förderhöhe des Systems mit dem Gezeitenzyklus ändert, und in großen Entwässerungssystemen, in denen die Förderhöhe mit dem Wasserstand des flussabwärts gelegenen Kanals variiert. Antriebe mit variabler Frequenz (VFDs) bieten einen alternativen oder ergänzenden Ansatz zur Durchflussregelung – eine Verringerung der Laufradgeschwindigkeit verringert den Betriebspunkt entlang der Pumpenkurve – und werden zunehmend sowohl bei vertikalen als auch horizontalen Axialpumpen in Kombination mit Schaufeln mit einstellbarer Steigung in den anspruchsvollsten Großpumpenanlagen eingesetzt.

Wartungsüberlegungen für jede Konfiguration

Die Wartungszugänglichkeit und die damit verbundenen Ausfallzeitprofile von horizontalen und vertikalen Axialpumpen unterscheiden sich erheblich und sollten im Auswahlprozess neben der Leistung und den zivilen Anforderungen bewertet werden – insbesondere für kritische Infrastrukturanlagen, bei denen die Pumpenverfügbarkeit direkt mit der öffentlichen Sicherheit oder der industriellen Kontinuität verknüpft ist.

• Wartung der vertikalen Pumpensäulenlager: Die Zwischenwellenlager in einer vertikalen Axialpumpensäule – insbesondere wassergeschmierte Gummigleitlager – sind Verschleißteile, die regelmäßig überprüft und ausgetauscht werden müssen. Der Zugang zu diesen Lagern erfordert entweder das Herausziehen der gesamten Pumpenkolonne aus dem Nassbrunnen (was das Abschalten der Pumpe und die Entwässerung der Kolonne erforderlich macht) oder, bei Konstruktionen, die dies zulassen, das Herausziehen der Antriebswelle von oben, während die Kolonne an Ort und Stelle bleibt. Die Anzahl der Zwischenlager, die mit der Säulenlänge zunimmt, bestimmt unmittelbar den Umfang und die Häufigkeit dieser Wartungsarbeiten.
• Zugang zum vertikalen Pumpenlaufrad: Der Zugriff auf das Laufrad einer vertikalen Axialpumpe zur Inspektion, Abstandsmessung oder zum Austausch erfordert den Ausbau der Pumpengehäusebaugruppe. Bei den meisten Installationen bedeutet dies, dass der Nassbrunnen entwässert oder ein Sperrholzsystem zur Isolierung des Pumpenschachts verwendet wird und anschließend die gesamte Pumpenbaugruppe mit einem Laufkran mit ausreichender Kapazität angehoben wird. Hierbei handelt es sich um einen erheblichen Wartungsvorgang, der sorgfältige Planung, Entwässerungskoordination und Hebeausrüstung erfordert – im Gegensatz zum horizontalen Zugang zum Pumpenlaufrad, bei dem normalerweise nur die Endabdeckung des Pumpengehäuses entfernt werden muss, um das Laufrad direkt freizulegen.
• Wartung der horizontalen Pumpendichtung: Die Gleitringdichtung oder Stopfbuchse einer horizontalen Axialpumpe ist ohne Entwässerung oder Pumpenausbau zugänglich – die Dichtung kann vor Ort ausgetauscht werden, während das Pumpengehäuse mit der Saug- und Druckleitung verbunden bleibt. Dies ist ein erheblicher Betriebsvorteil für Pumpen im Dauerbetrieb, bei denen längere Stillstände für größere Wartungsarbeiten betrieblich nicht akzeptabel sind. Der Kontakt der Dichtung mit der Prozessflüssigkeit ist in beiden Konfigurationen identisch, der einfache Austausch der Dichtung begünstigt jedoch die horizontale Anordnung für Anwendungen mit Dichtungen mit kürzerer Lebensdauer aufgrund abrasiver oder chemisch aggressiver Prozessflüssigkeiten.
• Zugang zur Motorwartung: Bei beiden Konfigurationen wird der Motor getrennt von den Hydraulikkomponenten montiert – vertikal über der oberen Pumpenplatte bei vertikalen Installationen und am Pumpenwellenende oder über ein Getriebe bei horizontalen Installationen. Der Wartungszugang zum Motor ist in den verschiedenen Konfigurationen im Allgemeinen ähnlich, allerdings erfordert die erhöhte Position des vertikalen Pumpenmotors für regelmäßige Wartungsaufgaben möglicherweise feste Zugangsplattformen oder Gerüste, während sich der horizontale Motor bei den meisten Installationskonfigurationen typischerweise auf Arbeitshöhe befindet.

Die Auswahl treffen: Ein praktischer Entscheidungsrahmen

Um die hydraulischen, zivilen, betrieblichen und Wartungsaspekte in einer strukturierten Auswahlentscheidung zusammenzuführen, muss eine logische Abfolge von Fragen durchgearbeitet werden, die die geeignete Konfiguration schrittweise eingrenzt.

• Handelt es sich bei der Anwendung um stark schwankende Wasserstände am Pumpeneinlass? Wenn ja, sind vertikale Axialpumpen aufgrund ihrer selbstansaugenden Eigenschaften und der variablen Eintauchtoleranz unbedingt zu bevorzugen. Horizontale Installationen an Standorten mit stark schwankenden Einlassniveaus erfordern komplexe Ansaug- und Saugmanagementsysteme, die die Betriebskomplexität und Fehlermöglichkeiten erhöhen.
• Besteht am Aufstellungsort Überschwemmungsgefahr? Wenn die Pumpe unter Hochwasserbedingungen weiterbetrieben werden muss, bei denen der Wasserstand auf oder über das Pumpenniveau ansteigen kann, ist die vertikale Konfiguration mit Motor über dem maximalen Hochwasserniveau die geeignete Wahl. Ein horizontaler Motor, der von steigendem Hochwasser überflutet wird, stellt sowohl eine elektrische Gefahr als auch einen sofortigen Verlust der Pumpleistung dar.
• Ist die Einbautiefe stark eingeschränkt? Wenn die verfügbare Bautiefe für eine vertikale Installation mit Schüssel und Säule mit ausreichender Überflutung bei minimalem Wasserstand nicht ausreicht, kann eine horizontale Konfiguration, die auf oder unter dem minimalen Wasserstand installiert wird, die einzig praktische Lösung sein, wenn man in Kauf nimmt, dass für Installationen oberhalb des Wasserspiegels Ansaugsysteme erforderlich sind.
• Ist ein häufiger Zugriff auf interne Komponenten erforderlich? Bei Anwendungen mit abrasiven Flüssigkeiten, Flüssigkeiten mit hohem Feststoffgehalt oder chemisch aggressiven Prozessströmen, bei denen Laufradverschleiß und Dichtungsaustausch in kürzeren Abständen erfolgen, reduziert die hervorragende Wartungszugänglichkeit horizontaler Axialpumpen den Gesamtwartungsaufwand und die Systemausfallzeiten über die Betriebslebensdauer der Pumpe erheblich.
• Welche Durchfluss- und Förderhöhenanforderungen gelten für die verfügbaren Pumpenmodelle? Sehr große Durchflussraten über 30.000 bis 50.000 m³/h werden häufiger mit vertikalen Konfigurationen in etablierten Produktlinien großer Pumpenhersteller erreicht. Wenn der erforderliche Betriebspunkt in einem Bereich liegt, in dem nur eine Konfiguration von qualifizierten Lieferanten kommerziell erhältlich ist, kann diese praktische Marktrealität unabhängig von anderen Faktoren die Wahl der Konfiguration bestimmen.

Axialpumpen in sowohl vertikaler als auch horizontaler Konfiguration stellen einige der hydraulisch effizientesten Lösungen dar, die für großvolumige Pumpanwendungen mit geringer Förderhöhe verfügbar sind – und bei der Wahl der Konfiguration geht es nicht darum, ob die eine der anderen grundsätzlich überlegen ist, sondern darum, die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Pumpen an die spezifischen Anforderungen der Anlage anzupassen. Durch die Herangehensweise an diese Auswahl mit dem oben beschriebenen strukturierten technischen Rahmen wird sichergestellt, dass die gewählte Konfiguration während der gesamten Lebensdauer der Pumpe die Durchflussleistung, Betriebszuverlässigkeit und Wartungszugänglichkeit bietet, die die Anwendung erfordert.