Kavitation in der Pumpe und wie man sie vermeidet

Was ist Kavitation?

Alle Pumpen funktionieren, indem sie am Einlass einen niedrigen Druck erzeugen und es dem atmosphärischen Druck (oder dem Systemdruck) ermöglichen, Flüssigkeit in die Pumpe zu drücken. Dieser Prozess macht alle Pumpen anfällig für ein Phänomen namens Kavitation. Kavitation ist die Bildung von Blasen in einer Flüssigkeit, wenn der lokale Druck schnell unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinkt. Dadurch bildet sich eine Dampfblase in der Flüssigkeit, die in der Regel nur kurze Zeit bestehen bleibt, bevor sie wieder in eine Flüssigkeit kollabiert. Der Kollaps ist heftig. Ein lautes knallendes Geräusch wird erzeugt, und extreme Druck- und Temperaturspitzen erreicht, welche oft Oberflächen in der Nähe beschädigen. Selbst widerstandsfähige Metalle werden angefressen, wenn sie dem starken, lokal begrenzten Strahl der Implosion der Blasen ausgesetzt sind. Werden mittelfristig keine Gegenmassnahmen eingeleitet, kann die Pumpe schließlich zerstört werden.

Lebenszyklus einer Kavitationsblase

Verhalten einer Kavitationsblase in Flüssigkeitspumpen

Im Inneren von Pumpen entsteht Kavitation oft hinter einem beweglichen Teil, wo örtlich begrenzte Bereiche mit niedrigem Druck generiert werden. Vom Benutzer oft nicht bemerkt, kann dauerhafte, starke Kavitation Komponenten innerhalb der Pumpe beschädigen. Dies muss vermieden werden. Wenn der Einlassdruck des Systems sinkt, tritt die Kavitation stärker in Erscheinung, verursacht Pumpenschwankungen (schwankende Pumpendrehzahl), erzeugt laute Geräusche und führt manchmal zu trüber Flüssigkeit am Pumpenauslass (gelöste Luft).

Der Punkt, an dem die Kavitation einsetzt, ist von diversen Einflüssen abhängig. Es ist eine Kombination aus Flüssigkeitsviskosität, Dampfdruck, Dichte, Temperatur, hydraulischem Hub, atmosphärischem Druck, Pumpentyp und Pumpendrehzahl. Ein Vorläufer der Kavitation ist oft eine Anreicherung von bereits vorhandenem Gas, das in der Flüssigkeit eingeschlossen ist. Diese Blasen stellen zwar kein Risiko für eine Beschädigung der Pumpe dar, können aber die Genauigkeit der Flüssigkeitsförderung beeinträchtigen.

Einlassbeschränkungen

Das bei weitem häufigste Auftreten von Kavitation bei Verdrängerpumpen resultiert aus der Verwendung langer Schläuche mit kleinem Durchmesser am Einlass der Pumpe. Eine allgemeine Gleichung für den Druckabfall durch ein Rohr lautet ∆P=Q∙μ∙(128∙L)/(π∙D^4), wobei:

Q = Durchflussmenge
µ = dynamische Viskosität
L = Länge der Rohrleitung
D = Innendurchmesser des Schlauchs

Beachten Sie, dass der Druckabfall von D4 abhängt. Eine Verdoppelung des Innendurchmessers des Schlauches verringert den Druckabfall um den Faktor 16! Die obige Gleichung gilt nur für laminare Strömung (Reynoldszahlen < 2320). Bei turbulenter Strömung ist die Gleichung komplizierter und hängt von der Dichte statt von der Viskosität ab.

DPP Laminare Strömung versus turbulente Strömung in Rohren

Rohre sind nicht die einzige Quelle von Druckverlusten, die von Konstrukteuren hydraulischer Systeme oft übersehen wird. Einlassfilter, Rückschlagventile und Blenden sind weitere Beispiele für Komponenten, die das Vakuum am Einlass erhöhen. Vor allem Rückschlagventile müssen sorgfältig ausgewählt werden, damit sie kein zu hohes Vakuum erzeugen.

Diener achtet besonders darauf, die internen Strömungswege so zu gestalten, dass Einschränkungen, die zu hohen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten und Niederdruck-Kavitationszonen führen würden, minimiert werden.  Ein optimiertes Flüssigkeitsmanagement senkt die Wahrscheinlichkeit von Kavitation und deren zerstörerische Auswirkung.

Kavitation in Verdrängerpumpen mit Hubkolbenantrieb

Verdrängerpumpen mit Hubkolbenantrieb sind in der Regel deutlich weniger betroffen als rotierende Hochgeschwindigkeitspumpen. Sie haben jedoch einen stark pulsierenden Förderstrom, der zu Spitzenfördermengen führt, die bis zum Dreifachen der durchschnittlichen Fördermenge betragen. Noch wichtiger ist, dass der häufige Stopp/Start der Flüssigkeit ein auf Trägheit beruhendes Vakuum am Einlass erzeugt. Wenn die Pumpe beginnt, Flüssigkeit durch den Einlass anzusaugen, muss die Flüssigkeit dahinter beschleunigt werden. Lange, dünne Schläuche haben negative Auswirkungen auf die Flüssigkeitsbeschleunigung und Einfluss auf das Vakuum (proportional zu D2). Diese Aspekte müssen beim Planen von Systemen unbedingt berücksichtigt werden.

Entsteht Kavitation, so ist der Grund dafür meistens beim Innen-Ø des Einlass-Schlauches oder bei Systemkomponenten im Einlassbereich der Pumpe zu suchen.

Gepulste Strömung in einer Hubkolbenpumpe

Kavitation in rotierenden Verdrängerpumpen

Rotierende Teile, welche sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, generieren einen Niederdruckbereich im hinteren Bereich des sich bewegenden Elements. Dies ist ein Risiko, speziell bei Bauteilen mit größerem Durchmesser, wie Propellern oder dem Laufrad einer Kreiselpumpe. Dies hat keinen so starken Einfluss auf kleinere Zahnradpumpen. Allerdings kann auch in einer Zahnradpumpe am Zahneingriff Kavitation auftreten, wenn sich der Hohlraum zwischen den beiden Zahnrädern öffnet, und das neu entstandene Volumen schnell mit Flüssigkeit gefüllt wird. Dieser Effekt kann durch präzisionsgefertigte Schrägzahnräder minimiert werden, die ein sanftes Öffnen des Zahneingriffs bewirken. Dennoch können interne Mechanismen in der Pumpe bei Drehzahlen über 3000 U/min örtlich begrenzte Druckabfälle von bis zu 0,1 bar (Wasser) erzeugen.

Häufige Kavitationsstellen in Außenzahnradpumpen

Schlauch- und Drehkolbenpumpen weisen eine relativ starke Pulsation in ihrem Strömungsprofil auf. Diese Pulsation erzeugt vorübergehende Unterdrücke, die denen in Hubkolbenpumpen ähneln. Daher ist bei der Planung dieser Pumpentypen Vorsicht geboten.

Positive Netto-Saughöhe (NPSH)

NPSH ist eine von Bauingenieuren häufig verwendete Maßeinheit. Die Hersteller von Zentrifugalpumpen und Turbinen in diesen Branchen geben häufig den NPSH-Wert ihrer Pumpen an, der den Mindestdruck an der Ansaugöffnung angibt, der erforderlich ist, damit die Pumpe nicht kavitiert. Der NPSH-Wert wird in der Regel in Fuß angegeben, da dies die übliche Druckeinheit (Förderhöhe) ist, mit der Bauingenieure in den USA arbeiten. Bei Verdrängerpumpen in der Medizintechnik, in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie bei allgemeinen Industrieanwendungen wird der NPSH-Wert in der Regel nicht angegeben, da es hier große Schwankungen bei den Flüssigkeiten, Temperaturen und anderen Betriebsbedingungen gibt.

Der beste Weg, Kavitation zu vermeiden, ist die frühzeitige Einbeziehung des Pumpenlieferanten in die Konstruktion eines Hydrauliksystems. Pumpeningenieure kennen ihre Pumpen genau,  und wissen, welche Vakuumniveaus tolerierbar sind, und haben viel Erfahrung mit der Anpassung von Hydrauliksystemen zur Vermeidung von Kavitation. Eine enge Zusammenarbeit zwischen Systementwicklern und erfahrenen Pumpeningenieuren sorgt für einen effizienten Entwicklungsprozess und vermeidet Zusatzkosten und Fehlplanungen.