Analyse der Kavitation im Laufrad einer Kreiselpumpe

1. Das Wesen der Kavitation
Kavitation, ein kombinierter physikalisch-chemischer Zerstörungsprozess, verläuft in drei Phasen:

Lokale Verdampfung: Wenn der lokale Druck am Laufradeinlass oder in der Niederdruckzone unter den Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit bei ihrer Betriebstemperatur fällt, siedet die Flüssigkeit und es entstehen zahlreiche Dampfblasen (Hohlräume).

Blasenkollaps und -beschädigung: Diese Blasen werden von der Strömung in die Hochdruckzone des Laufrads transportiert, wo der Umgebungsdruck rapide ansteigt und sie nahezu augenblicklich implodieren lässt. Dieser Kollaps erzeugt intensive Stoßwellen und Mikrostrahlen mit lokal erreichten Drücken von mehreren hundert Megapascal, die innerhalb von Mikrosekunden und auf mikrometergroßen Flächen wirken.

Materialermüdung und -erosion: Diese Stoßwellen treffen wiederholt (tausende Male pro Sekunde) auf die Metalloberfläche des Laufrads und verursachen so mechanische Ermüdung und Korrosionsermüdung. Dadurch werden nach und nach Metallkörner abgelöst, was zu narbiger, wabenartiger oder schwammartiger Erosion an der Oberfläche führt.

2. Spezifische Gefahren der Kavitation für Pumpen

Leistungsverschlechterung: Dampfblasen verstopfen die Strömungskanäle, stören die Fluidkontinuität und verursachen einen signifikanten Abfall der Pumpenfördermenge, der Förderhöhe und des Wirkungsgrades, was oft zu einem abrupten Einbruch in der Leistungskurve führt.

Vibrationen und Lärm: Die heftige Bildung und das Zusammenfallen von Blasen verursachen starke Pumpenvibrationen und charakteristische Knister- oder Zischgeräusche, was die Stabilität und die Arbeitsumgebung beeinträchtigt.

Beschädigung des Laufrads:

Mechanische Lochfraßkorrosion: Erzeugt die charakteristische wabenförmige Erosion.

Elektrochemische Korrosion: Die beim Kollaps freigesetzte Energie zerstört die schützende Passivschicht des Laufrads (besonders kritisch bei Edelstahl) und beschleunigt so die chemische Korrosion. Der kombinierte Angriff führt zu extrem schnellem Materialverlust.

Schwere Fälle können zu einer Perforation des Laufrads und einem kompletten Pumpenausfall führen.

Reduzierte Lebensdauer: Beschädigungen des Laufrads, verbunden mit beschleunigtem Verschleiß an Lagern und Dichtungen aufgrund von Vibrationen, verkürzen die Wartungsintervalle und die Gesamtlebensdauer der Pumpe drastisch.

3. Identifizierung und Diagnose

Geräusch: Ein anhaltendes "knisterndes, " "poppendes, " oder "zischendes " Geräusch von der Pumpe, ähnlich dem Pumpen von Kies.

Leistung: Bei konstanter Drehzahl und Ventilstellung kann es zu einem plötzlichen oder allmählichen Abfall des Durchflusses, des Förderdrucks (Förderhöhe) und des Motorstroms (Leistungsaufnahme) kommen.

Vibration: Ungewöhnlich hohe Vibrationswerte der Pumpe, insbesondere in axialer Richtung.

Visuelle Inspektion: Bei der Demontage nach dem Betrieb werden die typischen wabenförmigen Poren auf der Rückseite der Schaufeleintrittskanten (der Niederdruckzone) sichtbar.

4. Hauptursachen (in Wasserkreislaufsystemen)

Unzureichend verfügbares NPSH (NPSHa): Die Ursache.

Zu hohe Pumpenhöhe: Die Pumpe ist zu hoch über dem Flüssigkeitsspiegel der Zufuhr installiert.

Übermäßige Saugleitungsverluste: Eine zu lange oder zu enge Saugleitung mit zu vielen Krümmern oder verstopften Filtern/Sieben/Fußventilen erhöht den Druckverlust.

Hohe Flüssigkeitstemperatur: Ein schlechter Wärmeaustausch oder eine hohe thermische Belastung im System erhöhen die Wassertemperatur und den Dampfdruck, wodurch der NPSHa-Wert sinkt.

Niedriger Systemdruck: Druckschwankungen oder unzureichende Nachspeisung von Wasser in geschlossenen Systemen senken den Druck im Saugbehälter.

Hoher Pumpen-NPSH-Wert (NPSHr):

Mangelhafte Pumpenkonstruktion oder ungünstige Laufradeintrittsgeometrie/hohe Eintrittsgeschwindigkeit.

Verschleiß oder Verstopfung des Laufrads, wodurch die ursprüngliche Hydraulikkonstruktion beeinträchtigt wird.

5. Prävention & Lösungen

Systemdesign optimieren (NPSHa erhöhen):

Reduzieren Sie die Einbauhöhe der Pumpe; verwenden Sie nach Möglichkeit eine geflutete Ansaugung (Flüssigkeitsstand oberhalb der Pumpenmittellinie).

Saugleitungen optimieren: Länge verkürzen, Durchmesser vergrößern, Anzahl der Formstücke/Ventile minimieren und Filter/Siebe regelmäßig reinigen.

Flüssigkeitstemperatur kontrollieren: Gewährleisten Sie den effizienten Betrieb von Kühltürmen, Wärmetauschern usw.

Systemdruck stabilisieren: In geschlossenen Systemen für eine ordnungsgemäße Druckbeaufschlagung und Nachspeisung sorgen.

Richtige Auswahl und Modifizierung (Reduzierung des NPSHr-Werts):

Wählen Sie Pumpen mit ausreichendem Sicherheitsspielraum: Stellen Sie sicher, dass NPSHa > NPSHr mit einem ausreichenden Sicherheitsspielraum (typischerweise ≥ 0,5-1,0 m) konform ist.

Wählen Sie kavitationsresistente Pumpen: Modelle mit doppelansaugenden Laufrädern (niedrigere Einlassgeschwindigkeit) oder Inducer-Schaufeln.

Modifikation des Laufrads: Ersetzen Sie das Standardlaufrad durch ein Antikavitationslaufrad (mit dickeren Einlasskanten und speziellen Schaufelprofilen) oder lassen Sie den Einlass des Standardlaufrads professionell umformen/unterschneiden, um ein schärferes, dünneres Profil zu erhalten.

Betrieb und Wartung:

Hartauftragung/Beschichtung: Kavitationsbeständige Werkstoffe (z. B. Kobaltbasislegierungen, Wolframcarbid) werden mittels Laserauftragschweißen, Plasmaspritzen oder Schweißauftrag aufgebracht.

Polymerbeschichtungen: Für weniger kritische Anwendungen eignen sich Hochleistungs-Epoxidbeschichtungen.

Beschädigte Laufräder sollten umgehend repariert oder ausgetauscht werden.

Betrieb mit geringem Durchfluss vermeiden: Interne Rezirkulation bei geringen Durchflussmengen begünstigt Kavitation. Innerhalb des bevorzugten Betriebsbereichs (BEP) der Pumpe betreiben.

Verwenden Sie Frequenzumrichter (VFD): Durch die Reduzierung der Pumpendrehzahl wird der NPSHr-Wert (proportional zum Quadrat der Drehzahl) deutlich gesenkt – eine effektive Lösung.

Oberflächenschutz & -reparatur:

Zusammenfassung
Kavitation im Laufrad von Kreiselpumpen ist ein systembedingtes Problem, das durch ein Ungleichgewicht entsteht. Dabei reicht die verfügbare Netto-Saughöhe (NPSHa) des Systems nicht aus, um die von der Pumpe benötigte Netto-Saughöhe (NPSHr) zu decken. Die Lösung liegt in einem zweigleisigen Ansatz: Erhöhung des Angebots und Reduzierung des Bedarfs – dadurch wird die verfügbare Netto-Saughöhe (NPSHa) des Systems erhöht und gleichzeitig die benötigte Netto-Saughöhe (NPSHr) der Pumpe verringert. Durch systematische Konstruktion, Auswahl, Betrieb und Wartung lässt sich Kavitation wirksam verhindern und beherrschen.