Die Pumpe fördert zu wenig — oder sie läuft mit viel zu hohem Energieverbrauch. Beides passiert täglich in der Praxis, und beides ist vermeidbar. Der Schlüssel liegt darin, Pumpenkennlinie und Betriebspunkt zu verstehen: zwei Konzepte, die zusammen erklären, wie viel eine Kreiselpumpe tatsächlich fördert, wie viel Energie sie dabei verbraucht — und warum sie manchmal weder das eine noch das andere richtig macht.
Kreiselpumpen sind mit Abstand die am häufigsten eingesetzten Pumpen im Maschinenbau, in der Verfahrenstechnik und im Anlagenbau. Ihr Anteil an allen installierten Pumpen liegt bei über 80 %. Umso wichtiger ist es, ihre Eigenschaften zu kennen: von der Laufradbauart über die H-Q-Kennlinie bis zur richtigen Regelstrategie. Einen umfassenden Überblick über Strömungsmaschinen gibt der Artikel zu Strömungstechnik & Pumpen.
Dieser Artikel erklärt, wie Kreiselpumpen funktionieren, wie man die Kennlinie liest, wie der Betriebspunkt bestimmt wird — und mit welcher Strategie man ihn effizient verschiebt. Die vollständige Analyse des Kennlinienfelds inklusive NPSH-Berechnung, Ähnlichkeitsgesetzen und Regelungsvergleich finden Sie in: Pumpenkennlinie lesen: NPSH, Wirkungsgrad & Drosselregelung.
TL;DR — Das Wichtigste in Kürze
- Laufradbauarten: Radial (hoher Druck), Diagonal (mittel), Axial (großer Volumenstrom) — klassifiziert über die spezifische Drehzahl ns
- H-Q-Kennlinie: Förderhöhe H sinkt mit steigendem Volumenstrom Q — die fallende Kurve ist charakteristisch für Kreiselpumpen
- Betriebspunkt: Schnittpunkt von Pumpen- und Anlagenkennlinie — idealer Betrieb nahe am BEP (Best Efficiency Point)
- NPSH: NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m muss immer eingehalten werden — sonst Kavitation mit Erosion und Leistungsabfall
- Affinitätsgesetze: Drehzahlhalbierung → Leistungsbedarf auf 1/8 — Frequenzumrichter spart enorm Energie
- Regelung: Drehzahlregelung >> Drosselung — wer drosselt, vernichtet Energie in der Armatur statt sie einzusparen
Aufbau und Wirkungsprinzip der Kreiselpumpe
Vom Laufrad zur Förderhöhe
Das Grundprinzip ist einfach: Ein rotierendes Laufrad überträgt mechanische Energie auf die Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird im Auge des Laufrads angesaugt, durch die rotierenden Schaufeln beschleunigt und nach außen geworfen. Im Spiralgehäuse (Volute) wird die Strömungsgeschwindigkeit abgebremst — und nach Bernoulli wird kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt. Das Ergebnis: Förderhöhe H.
Die Bauteile einer einstufigen Kreiselpumpe im Überblick: Sauganschluss mit Zulaufrohr, Laufrad (das Herzstück), Spiralgehäuse, Druckanschluss, Wellendichtung (Gleitringdichtung oder Stopfbuchse) und Wälzlager. Mehrstufige Pumpen schalten mehrere Laufräder hintereinander — additive Förderhöhe bei gleichem Volumenstrom.
Laufradbauarten — Radial, Diagonal, Axial
Die Laufradform bestimmt das Verhältnis von Förderhöhe zu Volumenstrom. Als Klassifizierungsgröße dient die spezifische Drehzahl ns:
ns = n · √Q / H3/4
mit n in min⁻¹, Q in m³/s und H in m. Je größer ns, desto axialere Strömungsführung und desto flacher die H-Q-Kennlinie.
| Bauart | ns | Förderhöhe | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Radialpumpe | 10-80 | Hoch (10-3.000 m) | Druckwasser, Heizung, Kühlung, chemische Prozesse |
| Diagonalpumpe | 80-160 | Mittel (5-50 m) | Kühlwasser, Bewässerung, mittlere Volumenströme |
| Axialpumpe | 160-500 | Niedrig (0,5-15 m) | Kühlwasser große Kraftwerke, Entwässerung, Schleusen |
Abb. 1: Laufradbauarten im Vergleich — Radial-, Diagonal- und Axialpumpe mit charakteristischen Schaufelgeometrien
Die Pumpenkennlinie (H-Q-Diagramm)
Was die Kennlinie zeigt
Das H-Q-Diagramm ist das wichtigste Werkzeug zur Pumpenauswahl und -beurteilung. Auf der Abszisse liegt der Volumenstrom Q in m³/h, auf der Ordinate die Förderhöhe H in m. Die Pumpenkennlinie H(Q) ist charakteristisch fallend: Bei geschlossener Druckleitung (Q = 0) erreicht die Pumpe ihre maximale Förderhöhe H0. Mit steigendem Volumenstrom sinkt die Förderhöhe, bis bei Qmax die Förderhöhe auf null fällt.
Ein vollständiges Pumpendatenblatt zeigt mehrere Kurven übereinander: die H(Q)-Kurve, die Wirkungsgradkurve η(Q) mit dem Maximum am besten Wirkungspunkt (BEP), die Leistungsaufnahmekurve P(Q) und die NPSH-Kurve als Kavitationsgrenze. Der BEP ist der Punkt, an dem die Pumpe am effizientesten arbeitet — hier stimmt die Strömungsführung im Laufrad optimal mit der Geometrie überein.
Die Anlagenkennlinie — das Gegenstück
Die Pumpe allein bestimmt den Betriebspunkt nicht. Erst das Zusammenspiel mit der Anlage — dem Rohrleitungssystem — ergibt einen eindeutigen Arbeitspunkt. Die Anlagenkennlinie HA(Q) beschreibt, welche Förderhöhe die Anlage bei einem bestimmten Volumenstrom benötigt:
HA(Q) = Hstat + R · Q²
Hstat ist der statische Anteil (Höhenunterschied zwischen Saug- und Druckbehälter plus etwaige Systemdrücke). R · Q² ist der dynamische Anteil — die Druckverluste durch Rohrreibung, Armaturen und Einbauten, die quadratisch mit dem Volumenstrom wachsen. Eine reine Umlaufanlage ohne Höhenunterschied hat Hstat = 0 — die Anlagenkennlinie ist dann eine Parabel durch den Ursprung.
Den Betriebspunkt bestimmen und bewerten
Schnittpunkt = Betriebspunkt
Der Betriebspunkt ist der Schnittpunkt von Pumpen- und Anlagenkennlinie. Genau dort stellt sich die Pumpe selbst ein — ohne Regeleingriff. Liegt dieser Schnittpunkt weit entfernt vom BEP, leidet entweder die Effizienz oder die Lebensdauer der Pumpe.
Abb. 2: H-Q-Diagramm — Pumpenkennlinien für drei Drehzahlen (n₁-n₃), Anlagenkennlinie H_A(Q), Betriebspunkt (rot) und BEP (grün). Bei Drehzahlregelung verschiebt sich der Betriebspunkt entlang der Anlagenkennlinie.
Berechnungsbeispiel: Betriebspunkt bestimmen
Gegeben:
Pumpenkennlinie (vereinfacht): H(Q) = 40 − 0,04 · Q² (H in m, Q in m³/h)
Anlagenkennlinie: HA(Q) = 10 + 0,02 · Q²
(Hstat = 10 m Höhenunterschied, dynamische Verluste R = 0,02)
Betriebspunkt — Schnittpunkt berechnen:
H(Q) = HA(Q)
40 − 0,04 · Q² = 10 + 0,02 · Q²
30 = 0,06 · Q²
Q² = 500 → Q = 22,4 m³/h
H = 40 − 0,04 × 500 = H = 20 m
Hydraulische Leistung:
Phyd = ρ · g · Q · H = 1.000 · 9,81 · (22,4/3.600) · 20 = 1.223 W ≈ 1,2 kW
Mit ηges = 0,7 ergibt sich eine Antriebsleistung von ca. 1,7 kW. In der Praxis ist der Ansatz quadratischer Pumpenkennlinien eine Vereinfachung — Herstellerdaten aus Datenblatt verwenden.
NPSH und Kavitation — die kritische Grenze
Was ist NPSH?
NPSH steht für Net Positive Suction Head — der Netto-Mindestdruck am Pumpensaugstutzen, damit die Flüssigkeit nicht verdampft. Es gibt zwei Größen: NPSHa (verfügbar, von der Anlage bestimmt) und NPSHr (erforderlich, vom Pumpenhersteller angegeben). Damit keine Kavitation auftritt, muss gelten:
NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m
NPSHa hängt ab von: Absolutdruck über dem Saugbehälter, Dampfdruck der Flüssigkeit (temperaturabhängig!), Saughöhe (geodätisch) und Druckverlust in der Saugleitung. Warmes Wasser und hohe Saughöhen sind die häufigsten Ursachen für zu geringen NPSHa. Eine vollständige Analyse mit NPSH-Berechnungsformel, Werkstofftabelle und allen Gegenmassnahmen bietet: Kavitation in Pumpen: Ursachen, Erkennung und Gegenmassnahmen.
- Symptom: Knisterndes oder prasselnd-schepperndes Geräusch, Leistungsabfall, Schwingungen, Lochfraß am Laufrad
- Ursache 1 — zu geringe Zulaufhöhe: Saugbehälter zu tief → Saugleitung verlängern oder Behälter anheben
- Ursache 2 — zu warme Förderflüssigkeit: Dampfdruck steigt → Pumpe tiefer setzen, Vordruck erhöhen
- Ursache 3 — zu hohe Strömungsgeschwindigkeit in der Saugleitung: Nennweite vergrößern (v < 1,5 m/s anstreben)
- Ursache 4 — Betrieb weit rechts der BEP: NPSHr steigt stark an → Volumenstrom reduzieren oder größere Pumpe wählen
Betriebspunkt verschieben — drei Strategien im Vergleich
Drosselung: einfach, aber Energieverschwendung
Das Schließen einer Absperrarmatur auf der Druckseite macht die Anlagenkennlinie steiler — der Betriebspunkt wandert nach links, der Volumenstrom sinkt. Einfach umzusetzen, aber ineffizient: Die Energie, die die Pumpe weiterhin aufnimmt, wird vollständig in der Armatur vernichtet. Wie eine Motorbremse bei gleichzeitig durchgetretenem Gaspedal.
Drehzahlregelung: effizient, mit Frequenzumrichter
Wer die Drehzahl reduziert, verschiebt die gesamte Pumpenkennlinie nach unten — ohne Verluste in der Armatur. Grundlage sind die Affinitätsgesetze (Ähnlichkeitsgesetze):
| Größe | Zusammenhang | Bei n₂ = 0,8 · n₁ |
|---|---|---|
| Volumenstrom Q | Q₂/Q₁ = n₂/n₁ | Q₂ = 0,80 · Q₁ (−20 %) |
| Förderhöhe H | H₂/H₁ = (n₂/n₁)² | H₂ = 0,64 · H₁ (−36 %) |
| Leistung P | P₂/P₁ = (n₂/n₁)³ | P₂ = 0,51 · P₁ (−49 %) |
Berechnungsbeispiel: Energieeinsparung durch Drehzahlregelung
Ausgangssituation:
Kreiselpumpe, P₁ = 15 kW bei n₁ = 1.450 min⁻¹, Betrieb 6.000 h/Jahr
Neue Anforderung: Volumenstrom auf 80 % reduzieren
Mit Drosselung:
Pumpe läuft weiter mit ~15 kW, Energie wird in Armatur vernichtet.
Jahresenergie: 15 kW × 6.000 h = 90.000 kWh
Mit Drehzahlregelung (FU):
n₂ = 0,8 × n₁ → P₂ = 0,8³ × 15 kW = 0,512 × 15 = 7,68 kW
Jahresenergie: 7,68 kW × 6.000 h = 46.080 kWh
Einsparung: 43.920 kWh/Jahr ≈ 49 % weniger Energie
Bei 0,20 €/kWh: ca. 8.800 €/Jahr Energiekostenersparnis. Amortisationszeit eines Frequenzumrichters typisch 1-3 Jahre. Mehr zur Energieeffizienz im Überblick: Energieeffizienz im Maschinenbau.
Laufradanpassung: dauerhaft, kostengünstig
Ist der Betriebspunkt dauerhaft zu weit rechts des BEP, kann das Laufrad auf einen kleineren Außendurchmesser abgedreht werden. Die Pumpenkennlinie sinkt dauerhaft ab. Diese einmalige Maßnahme ist günstiger als ein Frequenzumrichter und bei konstantem Betriebspunkt die richtige Wahl. Nachteil: Die Anpassung ist irreversibel — Überdimensionierung vorher genau prüfen.
| Strategie | Energieeffizienz | Flexibilität | Investition |
|---|---|---|---|
| Drosselung | Schlecht (Verluste in Armatur) | Hoch (jederzeit änderbar) | Keine |
| Drehzahlregelung (FU) | Sehr gut (P ∝ n³) | Sehr hoch (stufenlos) | Mittel bis hoch |
| Laufradanpassung | Gut (einmaliger Eingriff) | Keine (irreversibel) | Gering |
Parallel- und Reihenschaltung
Reichen eine Pumpe oder eine Drehzahlstufe nicht aus, lassen sich Kreiselpumpen kombinieren. Die Schaltungsart hängt davon ab, ob mehr Volumenstrom oder mehr Förderhöhe gebraucht wird.
Bei der Parallelschaltung addieren sich die Volumenströme bei gleicher Förderhöhe. Die Gesamtkennlinie ergibt sich durch horizontale Addition der Einzelkennlinien. Sinnvoll bei flachen Anlagenkennlinien (überwiegend dynamischer Anteil). Wichtig: Beide Pumpen müssen ähnliche Kennlinien haben, sonst arbeitet die schwächere Pumpe rückwärts und muss durch ein Rückschlagventil geschützt werden.
Bei der Reihenschaltung addieren sich die Förderhöhen bei gleichem Volumenstrom. Die Gesamtkennlinie ergibt sich durch vertikale Addition. Sinnvoll bei steilen Anlagenkennlinien (überwiegend statischer Anteil, große Förderhöhe nötig). Mehrstufige Pumpen nutzen dieses Prinzip intern.
Fazit — Kennlinie lesen, Betriebspunkt optimieren
Drei Erkenntnisse für die Praxis: Erstens — der Betriebspunkt ist kein Zufall, sondern das Ergebnis von Pumpen- und Anlageneigenschaften. Wer die Anlage ändert (Rohrleitungen, Armaturen), verändert automatisch den Betriebspunkt. Zweitens — NPSH-Probleme entstehen nicht durch die Pumpe allein, sondern durch das Zusammenspiel mit der Saugleitung und der Flüssigkeitstemperatur. Immer beide Seiten prüfen. Drittens — wer an Kreiselpumpen mit variabler Last drosselt statt zu regeln, zahlt die Energieverschwendung dauerhaft über die Stromrechnung.
Der nächste Schritt: Prüfen Sie für Ihre installierten Pumpen, ob der Betriebspunkt im Bereich 70-120 % Qopt liegt. Falls nicht — Regelstrategie überdenken oder Pumpe neu auslegen. Für die Instandhaltung von Kreiselpumpen (Lager, Gleitringdichtungen) lesen Sie den Folge-Artikel in der Strömungstechnik-Reihe.
FAQ — Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Förderhöhe und Förderdruck?
Förderhöhe H (in m) und Förderdruck p (in Pa oder bar) beschreiben dasselbe — über die Beziehung p = ρ · g · H. Förderhöhe ist die flüssigkeitsunabhängige Darstellung: Wasser mit 10 m Förderhöhe entspricht 0,98 bar. Die Förderhöhendarstellung hat den Vorteil, dass sie unabhängig von der Flüssigkeitsdichte ist — das macht Pumpenkennlinien universell anwendbar, solange die Viskosität nicht zu stark abweicht.
Wie finde ich den Betriebspunkt meiner bestehenden Pumpe?
Messen Sie Volumenstrom (Durchflussmessung) und Differenzdruck (Manometer vor und nach der Pumpe) gleichzeitig im Betrieb. Tragen Sie diesen Punkt in das Pumpenkennliniendiagramm des Herstellers ein — das ist Ihr Betriebspunkt. Liegt er weit vom BEP entfernt (mehr als ±30 % des Qopt), sollten Sie Regelstrategie oder Pumpenauswahl überdenken. Viele Pumpenhersteller (KSB, Wilo, Grundfos) bieten Online-Auslegungstools an.
Was bedeutet NPSH und wie vermeide ich Kavitation?
NPSH (Net Positive Suction Head) ist die Druckreserve am Pumpeneintritt gegenüber dem Dampfdruck der Flüssigkeit. Kavitation tritt auf, wenn dieser Druck zu gering ist — Flüssigkeitsdampfblasen entstehen im Laufrad und kollabieren schlagartig (Erosion). Vermeidung: Saugleitung kurz und großzügig dimensionieren (v < 1,5 m/s), Pumpe tief aufstellen (positive Zulaufhöhe), Flüssigkeitstemperatur kontrollieren (Dampfdruck!), NPSHa ≥ NPSHr + 0,5 m sicherstellen.
Wann lohnt sich ein Frequenzumrichter an der Kreiselpumpe?
Ein Frequenzumrichter (FU) lohnt sich immer dann, wenn der Förderstrom variabel ist und die Pumpe einen erheblichen Teil der Betriebszeit unter Nennlast läuft. Durch P ∝ n³ spart bereits 20 % weniger Drehzahl rund 50 % Leistung. Die Amortisationszeit liegt bei variablen Pumpenanwendungen oft zwischen 1 und 3 Jahren. Bei konstanter Betriebslast und fest eingestelltem Betriebspunkt ist Laufradanpassung wirtschaftlicher.
Was ist der Unterschied zwischen Radial-, Diagonal- und Axialpumpe?
Die drei Bauarten unterscheiden sich in der Strömungsführung durch das Laufrad: Radialpumpen leiten die Strömung radial nach außen — hoher Druck, mittlerer Volumenstrom. Axialpumpen (Propellerpumpen) führen die Strömung axial durch — niedrig Druck, sehr großer Volumenstrom. Diagonalpumpen (Halbaxialpumpen) liegen dazwischen. Das Kriterium zur Auswahl ist die spezifische Drehzahl n_s, die aus Förderhöhe, Volumenstrom und Drehzahl berechnet wird.
Was passiert bei Parallelschaltung zweier ungleicher Pumpen?
Haben zwei parallel geschaltete Pumpen unterschiedliche Kennlinien, ist Vorsicht geboten: Die schwächere Pumpe kann in einen Bereich gedrückt werden, in dem ihre Kennlinie unterhalb der Anlagenkennlinie liegt — sie fördert dann nicht mehr, sondern bremst. Im schlimmsten Fall dreht die Flüssigkeit sie rückwärts. Jede Pumpe in der Parallelschaltung muss mit einem Rückschlagventil auf der Druckseite gesichert werden. Gleiche Pumpentypen (identische Kennlinien) sind bei Parallelschaltung ideal.
Wie lese ich ein Pumpendatenblatt richtig?
Das Wichtigste im Pumpendatenblatt: H-Q-Kurve (bei Nenndrehzahl), η-Q-Kurve mit BEP-Markierung, NPSH-Kurve, P-Q-Kurve (Leistungsaufnahme). Für die Auswahl: Betriebspunkt einzeichnen — liegt er im Bereich 70-120 % des BEP-Volumenstroms? NPSH prüfen: Liegt NPSHa der Anlage mindestens 0,5 m über der NPSHr-Kurve der Pumpe? Leistung prüfen: Motor ausreichend dimensioniert, auch für Anlaufbedingungen (bei Q = 0 ist P meist minimal, bei Axialpumpen maximal — Ausnahme!).
Warum hat eine Axialpumpe bei Q = 0 den höchsten Leistungsbedarf?
Radialpumpen haben bei Q = 0 (geschlossener Druckleitung) den niedrigsten Leistungsbedarf — die Leistung steigt mit Q. Axialpumpen verhalten sich umgekehrt: Bei Q = 0 ist der Leistungsbedarf am höchsten, weil das Wasser im Laufrad „zerquirlt“ wird ohne abzufließen. Das ist für die Motorauslegung und das Anlaufverhalten entscheidend: Axialpumpen niemals gegen geschlossene Druckleitung anfahren — Motorschutzschalter-Einstellung beachten.
Quellen und weiterführende Literatur
- DIN EN ISO 9906:2012 — Kreiselpumpen: Hydraulische Abnahmeprüfungen, Klassen 1, 2 und 3
- DIN EN ISO 5199 — Kreiselpumpen: Technische Anforderungen (Klasse II, für chemische Anlagen)
- KSB AG — Kreiselpumpenlexikon (öffentlich zugänglich unter ksb.com)
- Wilo SE — Pumpenfibel: Grundlagen der Pumpentechnik (öffentlich verfügbar)
- Danfoss — Drehzahlregelung von Pumpen, Energieeinsparung mit Frequenzumrichtern
⚖️ Rechtlicher Hinweis
Dieser Artikel dient ausschließlich Informationszwecken und stellt keine Konstruktionsanleitung, Produktempfehlung oder verbindliche technische Beratung dar. Die Inhalte wurden nach bestem Wissen und unter Berücksichtigung aktueller technischer Standards erstellt, jedoch können Irrtümer und Änderungen nicht ausgeschlossen werden.
Haftungsausschluss:
- Die Anwendung der beschriebenen Verfahren, Berechnungen und Empfehlungen erfolgt auf eigenes Risiko.
- Für konkrete Pumpenauslegung und -auswahl konsultieren Sie bitte qualifizierte Strömungstechnik-Fachleute und Herstellerdaten.
- Normenangaben können veraltet sein — prüfen Sie stets die aktuelle Fassung.
- Wirkungsgrad- und NPSH-Werte sind Richtwerte — für konkrete Projekte Herstellerdatenblätter verwenden.
- DS Werk und der Autor übernehmen keine Haftung für Schäden, die aus der Anwendung der Informationen entstehen.
Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen (Druckbehälter, explosive Medien, Lebensmittelbereich) ist eine fachkundige Prüfung und Freigabe durch zuständige Ingenieure zwingend erforderlich.
Weiterführende Artikel
- Strömungstechnik & Pumpen: Auswahl, Auslegung, Betrieb — Der Pillar-Artikel mit vollständigem Überblick
- Hydraulik & Pneumatik: Systeme auslegen, Fehler beheben — Druckverlustberechnung und Systemauslegung
- Energieeffizienz im Maschinenbau: Hebel, Messung, Wirtschaftlichkeit — Frequenzumrichter und weitere Energiesparpotenziale
- IIoT & Sensorik: Daten erfassen, integrieren, nutzen — Condition Monitoring für Pumpensysteme