Flügelzellenpumpe

Eine Flügelzellenpumpe ist eine Verdrängerpumpe, bei der radial verschiebbare Flügel in einem exzentrisch zum Rotor angeordneten Stator rotieren und dabei wechselweise Zellen vergrößern und verkleinern. Dieses Prinzip erzeugt den für hydraulische Systeme benötigten Förderstrom bei mittleren Betriebsdrücken bis etwa 150 bar und zeichnet sich durch geringe Pulsation und niedrigen Geräuschpegel aus.

Grundlagen und Funktionsweise der Flügelzellenpumpe

Die Flügelzellenpumpe, in der Fachliteratur auch als Drehschieberpumpe bezeichnet, gehört zur Familie der Verdrängerpumpen. Ihr Arbeitsprinzip basiert auf der Volumenveränderung von Kammern, die zwischen den Flügeln des Rotors und der inneren Wandung des Stators entstehen. Durch die exzentrische Anordnung von Rotor und Stator verändern diese Kammern ihr Volumen während jeder Umdrehung, was den Fördervorgang bewirkt.

Das Förderprinzip im Detail

Der Fördervorgang einer Flügelzellenpumpe lässt sich in vier Phasen unterteilen. Beim Ansaugen dreht sich der Rotor, und die Zellen vergrößern sich auf der Saugseite, wodurch Hydraulikflüssigkeit über den Saugkanal einströmt. Auf der gegenüberliegenden Seite verkleinern sich die Zellen wieder, die Flüssigkeit wird verdichtet und über den Druckkanal ausgestoßen. Am Übergang zwischen Saug- und Druckseite erfolgt der Druckwechsel. Die Flügel werden dabei durch Zentrifugalkraft, Hydraulikdruck oder mechanische Schubstangen gegen die Gehäusewand gedrückt und bilden so zuverlässig abgedichtete Förderkammern.

Aufbau und konstruktive Merkmale

Der Kern einer Flügelzellenpumpe besteht aus wenigen, aber präzise aufeinander abgestimmten Bauteilen. Der Rotor nimmt die radial verschiebbaren Flügel auf und dreht sich innerhalb des Stators, der als Hohlzylinder mit exzentrischer Innenkontur ausgeführt ist. Seitenplatten und Deckel sorgen für die axiale Abdichtung der Förderkammern. Bei vielen industriellen Ausführungen sind Rotor, Flügel und Laufring als austauschbare Einsatzbaugruppe zusammengefasst, was Wartung und Reparatur deutlich vereinfacht.

Bauarten von Flügelzellenpumpen

Flügelzellenpumpen werden in verschiedenen Bauarten angeboten, die sich hinsichtlich Förderverhalten, Druckstufung und Verstellbarkeit unterscheiden. Die Wahl der richtigen Bauart hängt von den spezifischen Anforderungen der Hydraulikanlage ab.

Flügelzellenpumpe mit konstantem Fördervolumen

Die einfachste und am weitesten verbreitete Bauart fördert bei konstanter Drehzahl einen gleichbleibenden Volumenstrom. Typische Verdrängungsvolumina im industriellen Einsatz liegen zwischen 10 und 25 cm³ pro Umdrehung, bei Nenndrehzahlen um 1500 min⁻¹ ergeben sich Förderströme im Bereich von etwa 60 bis 70 l/min. Diese Bauart eignet sich für Anwendungen, die einen kontinuierlichen, pulsationsarmen Volumenstrom erfordern.

Doppelte Flügelzellenpumpe

Doppelte Flügelzellenpumpen kombinieren zwei Pumpenstufen in einem Gehäuse. Jede Stufe kann dabei ein unterschiedliches Verdrängungsvolumen aufweisen, sodass sich zwei voneinander unabhängige Druckkreisläufe aus einem einzigen Antrieb versorgen lassen. In der Praxis finden sich Kombinationen aus Flügelzellen- und Axialkolbenpumpen, die Förderströme von etwa 62 bis 69 l/min bei Betriebsdrücken bis 150 bar liefern. Diese Bauart reduziert den Bauraum und vereinfacht die Anlagenstruktur.

Verstellbare Flügelzellenpumpe

Verstellbare Flügelzellenpumpen ermöglichen die Anpassung des Fördervolumens an den aktuellen Bedarf. Die Verstellung erfolgt über einen mechanischen Druckkompensator, der bei Erreichen des eingestellten Soll-Drucks das Fördervolumen reduziert. Im Mittelhubbetrieb fördert die Pumpe nur die tatsächlich benötigte Menge, was den Energieverbrauch deutlich senkt. Baureihen wie die PV7-Serie oder die PVD-Baureihe setzen dieses Prinzip um und eignen sich für Anwendungen mit stark schwankendem Volumenstrombedarf.

Technische Kennwerte und Betriebsgrenzen

Flügelzellenpumpen arbeiten in einem definierten Betriebsbereich, der sich von anderen Pumpenbauarten abgrenzt. Die Kenntnis dieser Kennwerte ist für die korrekte Auslegung hydraulischer Systeme unerlässlich.

Betriebsdruck und Förderstrom

Der typische Betriebsdruck einer Flügelzellenpumpe liegt bei 100 bis 150 bar, wobei einige Ausführungen kurzzeitig bis 160 bar zulassen. Für höhere Drücke ab 200 bar sind Axialkolben- oder Radialkolbenpumpen die bessere Wahl. Der Förderstrom hängt direkt von Drehzahl und Verdrängungsvolumen ab. Bei Nenndrehzahlen von 1500 min⁻¹ und Viskositäten um 24 mm²/s erreichen Industriepumpen effektive Förderströme von 62 bis 64 l/min bei 150 bar Systemdruck.

Wirkungsgrad und Geräuschverhalten

Flügelzellenpumpen erreichen gute volumetrische und mechanische Wirkungsgrade, da die Flügel durch Zentrifugalkraft und Hydraulikdruck an der Statorwand anliegen und sich so selbst nachstellen. Verschleiß wird durch diese Nachstellwirkung teilweise kompensiert, was den Wirkungsgrad über die Betriebsdauer stabil hält. Ein weiterer Vorteil ist der niedrige Geräuschpegel, der Flügelzellenpumpen für den Einsatz in lärmempfindlichen Umgebungen prädestiniert.

Flügelzellenpumpe im Vergleich mit anderen Pumpenbauarten

Die Entscheidung für oder gegen eine Flügelzellenpumpe fällt in der Praxis oft im Vergleich mit Zahnrad- und Kolbenpumpen. Jede Bauart hat ihre Stärken und Schwächen.

Gegenüber Zahnradpumpen bietet die Flügelzellenpumpe bessere Saugeigenschaften und eine geringere Pulsation. Gegenüber Kolbenpumpen punktet sie mit kompakterer Bauweise, niedrigerem Geräuschpegel und günstigerem Preisniveau bei mittleren Druckanforderungen. Für abrasive oder hochviskose Medien sind Kolbenpumpen jedoch vorzuziehen.

Anwendungsbereiche in der industriellen Hydraulik

Flügelzellenpumpen finden sich in zahlreichen industriellen Anwendungen, die einen pulsationsarmen Förderstrom bei mittleren Drücken erfordern. Zu den typischen Einsatzgebieten gehören Werkzeugmaschinen, Spritzgießmaschinen, Pressen und Prüfstände. In der mobilen Hydraulik kommen sie in Systemen zum Einsatz, bei denen niedriger Geräuschpegel und kompakte Bauweise gefragt sind, etwa in Hebebühnen oder kleinen Radladern. Die Eignung für Mineralöle der Viskositätsklassen ISO VG 32, 46 und 68 sowie für schwerentflammbare Flüssigkeiten der Klassen HFC und HFD erweitert den Anwendungsbereich auf sicherheitsrelevante Anlagen.

Normen und Standards für Flügelzellenpumpen

Die Auslegung und Prüfung von Flügelzellenpumpen richtet sich nach mehreren Normen und Standards. DIN 51389 definiert die Prüfung des Verschleißverhaltens von Hydraulikflüssigkeiten in Flügelzellenpumpen. DIN EN ISO 20763 regelt die Prüfung von Hydraulikflüssigkeiten hinsichtlich ihres Verschleißschutzes. Die sicherheitstechnischen Anforderungen an Hydraulikanlagen mit Flügelzellenpumpen fallen unter DIN EN ISO 4413. Hydrauliköle müssen die Anforderungen der DIN 51524 erfüllen, und die Schmierstofffiltrierbarkeit wird nach DIN ISO 13357-2 bewertet. Die Symbolik der Pumpen in Schaltplänen richtet sich nach DIN ISO 1219.

Wartung und Instandhaltung

Die regelmäßige Wartung einer Flügelzellenpumpe sichert ihre Funktionstüchtigkeit und verlängert die Lebensdauer. Da die Hauptverschleißteile, also Flügel, Laufring, Rotor, Seitenbuchsen und Steuerplatten, als austauschbare Einsatzbaugruppe zusammengefasst sind, lassen sich Verschleißerscheinungen durch Tausch der gesamten Einheit beheben. Der Verschleiß wird im Prüfbetrieb über 250 Stunden bei definierten Bedingungen ermittelt, wobei Massenverluste an Flügeln und Laufring sowie der Förderstromrückgang als Bewertungskriterien dienen.

Bedeutung der Ölqualität und Filterung

Die Sauberkeit der Hydraulikflüssigkeit hat entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer einer Flügelzellenpumpe. Filter mit einer Nennmaschenweite von 25 µm oder feiner, mit einem Filtrationsverhältnis ß10 ≥ 100, sind erforderlich, um die Reinheitsklasse nach ISO 4406 einzuhalten. Die Einhaltung der vom Hersteller vorgegebenen Ölwechselintervalle und die regelmäßige Kontrolle der Ölqualität nach DIN 51524 verhindern vorzeitigen Verschleiß an den Gleitflächen.

Typische Verschleißerscheinungen

Verschleiß an den Flügeln äußert sich durch nachlassenden Förderstrom und zunehmende Leckage. Riefen oder Pitting am Laufring deuten auf unzureichende Schmierung oder kontaminiertes Öl hin. Lager- und Dichtungsschäden machen sich durch erhöhte Geräuschentwicklung, Temperaturanstieg oder sichtbare Leckagen bemerkbar. Eine frühzeitige Erkennung dieser Symptome ermöglicht es, geplant zu warten und ungeplante Stillstände zu vermeiden.

Zukünftige Entwicklungen

Die Entwicklung von Flügelzellenpumpen konzentriert sich auf höhere Druckstufen, verbesserte Energieeffizienz und die Integration intelligenter Steuerungssysteme. Hersteller arbeiten an Baureihen, die Drücke bis SAE 3000 PSI abdecken und gleichzeitig den kompakten Aufbau und den niedrigen Geräuschpegel beibehalten. Die Integration von Sensorik zur Erfassung von Druck, Temperatur und Förderstrom direkt an der Pumpe ermöglicht zustandsorientierte Wartungskonzepte und eine adaptive Regelung des Fördervolumens. Fortschritte in der Materialwissenschaft tragen zu verschleißfesteren Beschichtungen und längeren Wartungsintervallen bei. Die zunehmende Bedeutung energieeffizienter Hydrauliksysteme wird die Nachfrage nach verstellbaren Flügelzellenpumpen weiter steigern, da diese im Teillastbetrieb den Energieverbrauch spürbar reduzieren.