Rückruf-Service

Wie können wir Ihnen weiterhelfen? Wir rufen Sie umgehend zurück - natürlich kostenfrei!

Kavitation und wie sie vermieden werden kann

Was ist Kavitation?


Alle Pumpen funktionieren, indem sie einen niedrigen Druck am Einlass aufbauen, wodurch der Atmosphärendruck (oder Systemdruck) Fluid in die Pumpe drücken kann. Dieser Prozess macht alle Pumpen für ein als Kavitation bekanntes Phänomen anfällig. Kavitation ist die Bildung von Dampfblasen in einer Flüssigkeit, wenn der lokale Druck schnell unter den Dampfdruck der Flüssigkeit abfällt. Dadurch bildet sich eine Dampfblase in der Flüssigkeit, die im Normalfall eine kurze Zeit überdauert und dann wieder in die Flüssigkeit zusammenfällt. Dieser Kollaps ist heftig, es entsteht ein lautes Platzgeräusch, und in der Nähe befindliche Oberflächen werden häufig beschädigt. Sogar in festem Metall entstehen Vertiefungen, wenn es dem starken eingegrenzten Strahl nach einer Blasenimplosion ausgesetzt wird.

Lebenszyklus einer Kavitationsblase

In den Pumpen entsteht Kavitation häufig hinter einem beweglichen Teil, wenn dort ein eingegrenzter Niederdruckbereich existiert. Der Anwender nimmt dies womöglich nicht wahr, die Kavitation beginnt jedoch, die Komponenten in der Pumpe zu beschädigen und muss daher vermieden werden. Wenn der Systemeinlassdruck gesenkt wird, wird die Kavitation auffälliger. Sie erzeugt Pumpschwankungen, es entstehen laute Geräusche und gelegentlich tritt trübes Fluid am Pumpenauslass auf.

Der Punkt, an dem die Kavitation beginnt, ist sehr kompliziert. Es handelt sich um eine Kombination aus der Viskosität des Fluids, dem Dampfdruck, der Dichte, Temperatur, dem hydraulischen Hub, dem Pumpentyp und der Pumpendrehzahl. Ein Anzeichen für Kavitation ist häufig der Anstieg des im Fluid vorhandenen eingeschlossenen Gases. Obwohl diese Blasen kein Schadensrisiko für die Pumpe darstellen, können sie die Genauigkeit der Fluid-Lieferleistung reduzieren.


Einlassbegrenzungen


Das bei weitem häufigste Auftreten von Kavitation bei positiven Verdrängerpumpen entsteht durch die Verwendung langer Leitungen mit kleinen Durchmessern am Einlass der Pumpe. Eine Gleichung für den Druckabfall durch eine Leitung ist, wobei:

Q = Durchflussrate
µ = dynamische Viskosität
L = Länge der Leitung
D = Innendurchmesser der Leitung

Beachten Sie, dass der Druckabfall von D4 abhängt, die Verdopplung des Innendurchmessers der Leitung führt deshalb zu einem Druckabfall mit dem Faktor 16! Die obige Gleichung gilt nur für die Laminarströmung (Reynoldszahlen <2320). Die Gleichung für die turbulente Strömung ist komplizierter und hängt von der Dichte anstatt der Viskosität ab.

Laminarströmungen im Vergleich zu turbulenten Strömungen in Leitungen

Die Leitungen sind nicht die einzige Ursache für den häufig von den Designern hydraulischer Systeme übersehenen Druckabfall. So sind beispielsweise Einlassfilter, Rückschlagventile und Öffnungen Komponenten, die das Vakuum am Einlass erhöhen können. Insbesondere Rückschlagventile müssen sorgfältig ausgewählt werden, damit kein zu hohes Vakuum entsteht.


Kavitation in oszillierenden Verdrängerpumpen


Oszillierende Verdrängerpumpen sind normalerweise nicht anfällig für interne, stark eingegrenzte Kavitation wie etwa mit hohen Geschwindigkeiten rotierende Pumpen. Ihre Durchflussrate ist jedoch stark gepulst, wodurch Spitzendurchflussraten von bis zum Dreifachen der durchschnittlichen Durchflussrate entstehen. Darüber hinaus generiert der häufige Start/Stopp des Fluids ein trägheitsbasiertes Vakuum am Einlass. Wenn die Pumpe beginnt, das Fluid durch den Einlass zu saugen, muss das Fluid dahinter beschleunigen. Wie beim Reibungswiderstand sind lange, dünne Leitungen das Schlechteste für ein Vakuum bezogen auf die Fluidbeschleunigung (proportional zu D2). Diese Aspekte oszillierender Pumpen können einen Systemingenieur überraschen, der sie für eine durchschnittliche Durchflussrate auslegt.

Gepulste Strömung in einer oszillierenden Pumpe

Kavitation in rotierenden Verdrängerpumpen


Neben dem oben bezeichneten das Vakuum erzeugenden Reibungswiderstand erzeugen die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Elemente unmittelbar hinter dem jeweiligen Element einen Niederdruckbereich. Dieses Risiko besteht bei Komponenten mit grösseren Durchmessern wie den Propellern oder Impellern einer Zentrifugalpumpe und hat keinen stärkeren Einfluss auf kleinere Zahnradpumpen. Die interne Kavitation kann jedoch in einer Zahnradpumpe am Zahneingriff auftreten, wenn der Leerraum zwischen den beiden Zahnrädern geöffnet wird und das neu entstandene Volumen sich schnell mit Flüssigkeit füllt. Dieser Effekt kann mit präzisionsgefertigten Schrägstirnrädern vermieden werden, die eine reibungslose Öffnung des Zahneingriffs ermöglichen. Dennoch können interne Mechanismen der Pumpe eingegrenzte Druckabfälle von bis zu 0,1 bar in Wasser bei Drehzahlen über 3000 U/min erzeugen.

Häufige Kavitationsorte in einer Aussenzahnradpumpe

Peristaltik- und Drehkolbenpumpen weisen eine relativ starke Pulsation in ihren Strömungsprofilen auf. Diese Pulsation erzeugt Vakuen ähnlich denen in oszillierenden Pumpen. Deshalb muss bei der Anwendung dieser Pumpenarten sorgfältig vorgegangen werden.


Haltedruckhöhe (NPSH - Net Positive Suction Head)


Der NPSH-Wert ist eine von Ingenieuren häufig verwendete Kennzahl. Hersteller von Zentrifugalpumpen und Turbinen in dieser Branche versehen ihre Pumpen häufig mit einer NPSH-Klassifizierung, die den Mindestdruck am Sauganschluss angibt, der benötigt wird, um die Kavitation der Pumpe zu vermeiden. Der NPSH-Wert wird normalerweise in Fuss angegeben, da dies die allgemein von Bauingenieuren in den USA verwendete Einheit für den Druck (Förderhöhe) ist. Verdrängerpumpen für medizinische Anwendungen, Anwendungen im Lebensmittel- und Getränkebereich sowie in der Leichtindustrie sind aufgrund der stark variierenden Fluide, Temperaturen, Drehzahlen und anderen Betriebsbedingungen normalweise nicht mit NPSH-Werten gekennzeichnet.

Die beste Art, Kavitation zu vermeiden, ist, den Pumpenlieferanten früh in das Design eines Hydrauliksystems einzubinden. Pumpeningenieure kennen die Empfindlichkeiten ihrer Pumpen, wissen, welches Vakuum tolerierbar ist und haben erhebliche Erfahrung in der Anpassung des Hydrauliksystems zur Vermeidung von Kavitation. Die enge Zusammenarbeit der Systemdesigner und Pumpeningenieure optimiert den Designprozess und vermeidet Wiederholungen in den späten Phasen des Designzyklus.