Welche Faktoren beeinflussen die Leistung von Hydraulikpumpen?

Interne Wirkungsgradverluste bei Hydraulikpumpen

Die Effizienz von Hydraulikpumpen beeinflusst direkt die Betriebskosten und die Zuverlässigkeit des Systems, wobei drei Hauptverlustkategorien die Leistung mindern.

Volumetrische Verluste: Internes Verschleppen und Kompressibilitätseffekte der Flüssigkeit

Wenn Flüssigkeit durch die winzigen Spalte zwischen beweglichen Teilen und ihrem Gehäuse austritt, verringert sich naturgemäß die tatsächlich geförderte Durchflussmenge. Das Problem verschärft sich, da Flüssigkeiten unter Druck komprimierbar sind und ihr Volumen je nach Systemdruck verändern können, was besonders in Anlagen mit hohem Betriebsdruck auffällt. Ältere Pumpen neigen im Laufe der Zeit aufgrund von Verschleiß dazu, 15 bis 30 Prozent mehr Flüssigkeit zu verlieren. Neue Pumpen arbeiten typischerweise mit einem Wirkungsgrad von etwa 95 %, doch nach Jahren des Betriebs fallen viele laut Daten des Engineering Toolbox aus dem Jahr 2023 unter 80 % Wirkungsgrad. Was passiert danach? Die Pumpe muss stärker arbeiten, um dieselbe Leistung zu erbringen, wodurch die Energiekosten deutlich ansteigen können – manchmal um bis zu ein Viertel mehr als das erforderliche Maß.

Mechanische Verluste: Reibung, Lagerverschleiß und Dichtungsreibung

Reibung tritt an diesen Gleitstellen auf, die wir alle gut kennen, wie Lagern, Kolben und Zahnradzähnen, und diese Reibung verbraucht zwischen 7 und 12 Prozent der zugeführten Energie. Wenn Lager beginnen, sich abzunutzen, erzeugen sie erheblich mehr Drehmomentwiderstand – manchmal bis zu 40 % zusätzlichen Widerstand. Und erst recht die alten Dichtungen: Sie führen zu unerwünschten Widerstandskräften, die die mechanische Effizienz unter Hochdruckbedingungen um etwa 8 % senken können. Was bedeutet das alles? Im Grunde genommen verwandelt sich die Energie, die früher produktiv genutzt wurde, stattdessen in Wärme, anstatt Flüssigkeiten dorthin zu bewegen, wo sie gebraucht werden. Diese Wärmeentwicklung beschleunigt den Verschleiß von Bauteilen insgesamt. Deshalb sind regelmäßige Schmierprüfungen so wichtig, um zu verhindern, dass Metallflächen direkt gegeneinander reiben, und um eine gute Gesamtleistung der Maschine aufrechtzuerhalten.

Hydraulische Verluste: Turbulenzen, Strömungsablösung und Ventilwiderstand

Ineffiziente hydraulische Systeme ergeben sich oft aus Problemen wie Turbulenzen in den Anschlüssen, Ablösung der Strömung an scharfen Ecken oder plötzlichen Querschnittsänderungen sowie dem Druckverlust in Steuerventilen. Wenn die Flüssigkeit turbulent strömt, verwandelt sich die Energie lediglich in verlorene Wärme. Die Strömungsablösung erzeugt lästige Wirbel, die buchstäblich kinetische Energie direkt aus dem System entziehen. Und nicht zu vergessen ist auch der Widerstand der Ventile, insbesondere bei Wegeventilen, wo Verluste manchmal etwa 20 % des gesamten Systemdrucks verschlingen können. Um einen reibungslosen Betrieb sicherzustellen, sollten Ingenieure auf verbesserte Anschlussgestaltungen achten, gegebenenfalls größere oder niedrigere Delta-P-Ventile einbauen und generell plötzliche Übergänge in Rohrleitungen vermeiden, die das natürliche Strömungsmuster stören. Solche Anpassungen tragen maßgeblich dazu bei, den wünschenswerten laminaren Strömungszustand aufrechtzuerhalten, der für eine gute hydraulische Leistung entscheidend ist.

Eigenschaften von Hydraulikflüssigkeiten und deren Einfluss auf die Pumpenleistung

Die Rolle der Viskosität bei Abdichtung, Schmierung und volumetrischer Effizienz

Die richtige Viskosität spielt eine Schlüsselrolle bei der Aufrechterhaltung einer ordnungsgemäßen Abdichtung, einer guten Schmierung sowie der Steuerung des Fluidflusses durch Systeme. Wenn die Viskosität genau richtig ist, bildet sich zwischen eng zusammenpassenden Komponenten eine stabile Schutzschicht, die Leckagen innerhalb des Systems verhindert. Dies ist von großer Bedeutung, da zu starke Leckagen gemäß dem „Fluid Dynamics Report“ aus dem Jahr 2023 die volumetrische Effizienz in Hochdrucksystemen um etwa 15 Prozent mindern können. Eine geeignete Viskosität sorgt zudem dafür, dass Lager und Dichtungen ausreichend geschmiert bleiben, wodurch der durch Reibung verursachte Verschleiß reduziert und gleichzeitig Energie eingespart wird. Umgekehrt führt ein zu dünnflüssiges Medium zu stärkeren Leckagen und unzureichendem Schutz; ist das Medium hingegen zu zähflüssig, muss das System gegen einen höheren Widerstand arbeiten und verbraucht dadurch mehr Energie als erforderlich. Die Einhaltung der vom Hersteller empfohlenen Viskositätswerte ist nicht nur entscheidend, um die maximale Effizienz dieser Systeme zu erreichen, sondern trägt auch dazu bei, die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern und somit den Zeitpunkt des Austauschs hinauszuzögern.

Temperaturbedingte Viskositätsänderungen und Wirkungsgrad am besten Wirkungsgradpunkt (BEP)

Temperaturschwankungen beeinflussen die Viskosität von Fluiden erheblich, was sich auf die Pumpenleistung am Punkt der besten Wirkungsgrad (Best Efficiency Point, BEP) auswirkt, also dort, wo pro Fördermengeneinheit die geringste Energie verbraucht wird. Wenn die Temperatur um etwa 30 Grad Celsius ansteigt, halbiert sich die Dicke des Fluids nahezu. Dadurch verschlechtern sich die internen Leckagen, und der Betrieb weicht von diesem optimalen Bereich, dem sogenannten BEP, ab. Laut einer Studie des Thermal Performance Study aus dem Jahr 2023 könnte eine solche Veränderung die Gesamtsystemeffizienz um rund 10 % verringern. Bei heißem Wetter wird das Fluid dünner, wodurch die Dichtungen stärker beansprucht werden und die Schmierung weniger effektiv wirkt. Kalte Umgebungen bewirken das Gegenteil: Die Fluide verdicken sich, was den Strömungswiderstand erhöht und zusätzliche Energie erfordert. Aus diesem Grund entscheiden sich viele Anlagen heute für Fluide mit hohem Viskositätsindex (HVI). Diese speziellen Formulierungen helfen, den Betrieb auch bei Temperaturschwankungen nahe am BEP stabil zu halten. Zudem reduzieren sie Probleme wie Kavitationsschäden und vorzeitigen Verschleiß von Bauteilen, was langfristig die Wartungskosten senkt.

Betriebsbedingungen: Kavitation, NPSH und Betrieb außerhalb des Auslegungspunkts

Kavitationsmechanismen und kritische NPSH-Mindestsicherheitsanforderungen für einen zuverlässigen hydraulischen Pumpenbetrieb

Kavitation tritt auf, wenn der Druck in einer Flüssigkeit unter den zur Aufrechterhaltung des flüssigen Zustands erforderlichen Wert fällt. Dadurch entstehen kleine Dampfblasen, die sich beim Wiedereintritt in Bereiche mit höherem Druck explosionsartig zusammenfallen. Es entstehen dadurch mikroskopisch kleine, hochenergetische Strahlen sowie starke Druckstöße, die wichtige Komponenten wie Laufräder, Pumpengehäuse und Regelventile schädigen. Untersuchungen zeigen, dass dieser Schaden die Systemeffizienz um etwa zwölf Prozent senken und nach jüngsten Forschungsergebnissen die Langzeitzuverlässigkeit der Anlagentechnik erheblich beeinträchtigen kann. Um dies zu verhindern, ist die Steuerung des sogenannten Net Positive Suction Head (NPSH) entscheidend für einen ordnungsgemäßen Betrieb.

• Erforderlicher NPSH (NPSHR) ist die minimale Saugdruckhöhe, die die Pumpe benötigt, um eine Verdampfung der Förderflüssigkeit zu vermeiden
• Verfügbarer NPSH (NPSHA) ist die tatsächlich vom System bereitgestellte Saugdruckhöhe
• Kavitation wird wahrscheinlich – und schädlich –, wenn der verfügbare NPSH (NPSHA) unter den erforderlichen NPSH (NPSHR) fällt

Ein Betrieb außerhalb des Auslegungspunkts – insbesondere bei niedrigen Durchflussraten, hoher Fluidtemperatur oder erhöhtem Systemwiderstand – verschärft Druckabfälle und die Bildung von Dampfblasen. Die Einhaltung einer Sicherheitsreserve von 25 % über dem vom Hersteller angegebenen NPSHR gilt weithin als Best Practice für industrielle Zuverlässigkeit. Wichtige Maßnahmen umfassen:

Regelmäßige Inspektion der Saugfilter, korrekte Eintauchtiefe des Behälters sowie die Überwachung von Trends beim Einlassdruck sind entscheidend, um diese Sicherheitsreserve zu bewahren.

Präventive Wartung und Komponentenintegrität für eine nachhaltige hydraulische Pumpenleistung

Die Wartung im Voraus im Auge zu behalten, bevor Probleme auftreten, erweist sich als eine der besten Methoden, um Hydraulikpumpen über längere Zeiträume hinweg effizient in Betrieb zu halten. Wenn Techniker Anzeichen von Verschleiß an Dichtungen, Lagern oder den Kolbenflächen frühzeitig erkennen, verhindern sie so größere Probleme, die sich später entwickeln würden. Niemand möchte unerwartete Ausfälle, die Zeit und Geld kosten. Auch sauberes Fluid spielt eine große Rolle: Schmutz und Verunreinigungen im System beschleunigen den Verschleiß von Komponenten über das normale Maß hinaus und schwächen die schützenden Schmierfilme zwischen bewegten Teilen. Laut einer letztes Jahr im „Fluid Power Journal“ veröffentlichten Studie können regelmäßige Filterwechsel in Kombination mit periodischen Fluidanalysen die Lebensdauer von Komponenten tatsächlich um rund ein Viertel verlängern. Viele Anlagen überwachen mittlerweile Faktoren wie Druckdifferenzen im Zeitverlauf, analysieren Vibrationsmuster und verfolgen Temperaturschwankungen ihres Fluids. Solche Beobachtungen helfen dabei, kleinere Probleme zu erkennen, bevor sie zu größeren Störungen oder gar zum vollständigen Systemausfall führen. Anlagen, die eine solche aufmerksame Wartungsstrategie verfolgen, verzeichnen typischerweise etwa dreißig Prozent weniger unerwartete Abschaltungen – und das bei gleichbleibend optimaler Leistung ihrer Maschinen selbst unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen.

Häufig gestellte Fragen

Welche Hauptverlustarten gibt es bei hydraulischen Pumpen?

Hydraulische Pumpen weisen volumetrische, mechanische und hydraulische Verluste auf. Volumetrische Verluste entstehen durch innere Leckagen und die Kompressibilität der Flüssigkeit, mechanische Verluste durch Reibung und Verschleiß sowie hydraulische Verluste durch Turbulenzen und Ventilwiderstände.

Wie beeinflusst die Viskosität die Leistung hydraulischer Pumpen?

Die Viskosität spielt eine entscheidende Rolle für die Effizienz von Abdichtung und Schmierung. Die richtigen Viskositätswerte verhindern Leckagen, verringern den Verschleiß und erhalten die Systemeffizienz. Änderungen der Viskosität infolge von Temperaturschwankungen können die Pumpeneffizienz erheblich beeinträchtigen.

Was ist Kavitation, und warum ist sie für hydraulische Systeme schädlich?

Kavitation tritt auf, wenn ein Druckabfall zur Bildung und anschließenden Implosion von Dampfblasen führt, wodurch Bauteile wie Laufräder und Ventile beschädigt werden. Sie verringert die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems, weshalb das Management der NPSH (Net Positive Suction Head) entscheidend ist.

Warum ist vorbeugende Wartung für hydraulische Pumpen wichtig?

Die vorbeugende Wartung hilft, Abnutzungserscheinungen frühzeitig zu erkennen und verhindert so größere Probleme und unerwartete Ausfälle. Regelmäßige Wartung sorgt für saubere Flüssigkeiten und verringert den Verschleiß von Bauteilen, wodurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Ausrüstung verlängert wird.