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Kavitation

Als Kavitation wird das Entstehen und schlagartige Zusammenbrechen von Hohlraumbildungen wie bspw. Dampfblasen in einer Flüssigkeitsströmung bezeichnet. Für das Auftreten, das Ausmaß und die Auswirkungen von Kavitation in Kreiselpumpen gibt es verschiedene Kavitationskriterien und eine Unterscheidung erfolgt in Dampf- und Gaskavitation. 

Kavitationskriterien

  • Beginnendes Auftreten von Kavitationsblasen (Incipient Cavitation, NPSHi) an der Eintrittskante der Schaufel bis zu einer definierten max. Blasenlänge (LBl von z. B. 5 mm). Im Blasensichtversuch wird dazu der Vordruck soweit abgesenkt, bis erste sichtbare Kavitationsblasen auftreten. 
  • Kavitationsbedingter Abfall der Förderhöhe (ΔH) um einen definierten max. Betrag von ΔH = 0,03 · H oder, wie bei spezifisch schnellläufigen Kreiselpumpen oft praktiziert, von ΔH = 0,00 · H (beginnender kavitationsbedingter Abfall der Förderhöhe). Der zugehörige NPSH-Wert wird mit NPSH3 bzw. NPSH0 bezeichnet. 
  • Kavitationsbedingter Abfall des Wirkungsgrades (Δη) um einen definierten max. Betrag, jedoch auf den Pumpenwirkungsgrad bezogen (z. B. Δη= 0,03 · η). 
  • Kavitationsbedingter Abfall der Förderhöhe (ΔH) bis zum totalen Zusammenbruch der Förderhöhe (head drop). 
  • Kavitationsbedingter Materialabtrag in der Kreiselpumpe bis zu einer definierten max. Masse je Zeit. 
  • Kavitationsbedingter Anstieg des Geräuschpegels bis zu einem definierten maximalen Schalldruckpegel (siehe Geräusch bei Pumpen und Anlagen). 

Dampfkavitation 

Die Dampfkavitation entsteht, wenn der statische Druck in einer Flüssigkeit so weit sinkt, dass ohne äußere Wärmezufuhr der zur jeweiligen Flüssigkeitstemperatur gehörende Dampfdruck erreicht wird. Zwischen dem Dampfdruck und der Temperatur gibt es einen Zusammenhang. Außer dem Absinken des Druckes auf oder unter den Dampfdruck ist das Vorhandensein sogenannter Kavitationskeime (meist in der Form mikroskopisch kleiner Gasbläschen) eine weitere Voraussetzung für das Entstehen von Kavitation. siehe Abb. 1 und 2 Dampfdruck

Der statische Druck verringert sich, wenn z. B. die örtliche Geschwindigkeit erhöht wird (siehe Strömungslehre) oder sich die Zulaufbedingungen wie bspw. der Flüssigkeitsdruck stromauf von der kavitationsgefährdeten Stelle entsprechend ändern. Steigt der statische Druck in Strömungsrichtung wieder über den Dampfdruck an, so kommt es zum schlagartigen Zerfall der Dampfblasen (siehe Stoßkondensation), der mit sehr hoher Geschwindigkeit in einer Art Implosion vor sich geht. Findet diese Implosion an der Wand eines strömungsführenden Bauteiles und nicht in der freien Strömung statt, so kann die Kavitation zum Materialabtrag führen. 

Bevor es aber zur Materialzerstörung kommt, die nicht in allen Fällen des Kavitationsbetriebs auftritt, wirkt sich die Kavitation bereits durch ein Ansteigen des Geräuschpegels, unruhigen Lauf (siehe Laufruhe), Abfall des Pumpenwirkungsgrades und der Förderhöhe aus. 

Bei Propellerpumpen kann oft mit beginnender Kavitation zunächst ein leichter Anstieg der Förderhöhe beobachtet werden, bevor diese kavitationsbedingt absinkt (langsamer als bei Radialpumpen). Zur besseren Beobachtung der Vorgänge beim Blasenzerfall werden Blasen bspw. in der Nähe von Wänden künstlich (mit fokussiertem Laserstrahl oder Ultraschall) erzeugt.
Neuere Forschungen auf diesem Gebiet zeigen, dass sich bei beginnender Implosion die Dampfblase zunächst einbeult. Im weiteren Verlauf bildet sich ein Mikrowasserstrahl ("Microjet") aus, der in das Innere der Blase gerichtet ist und die Blase an der gegenüberliegenden Blasenwand durchschlägt.
In Zeitlupenaufnahmen (bei ca. 9 x 105 Bildern pro Sekunde) hat sich gezeigt, dass sich bei Blasen in unmittelbarer Nähe von Wänden dieser Mi- krowasserstrahl mit hoher Geschwindigkeit immer auf die Wand richtet. Diese Erscheinung wird in Verbindung mit der zerklüfteten Mikrostruktur, den feinsten Poren, Rissen und Kerben in der Wandoberfläche als die mechanische Ursache für die Zerstörung des Materials betrachtet. Unterstützt wird diese Art von Materialzerstörung zusätzlich durch eine Reihe chemischer Wirkungen, die während der starken mechanischen Belastung mit erhöhter Geschwindigkeit ablaufen.Häufig werden durch Kavitation die das Material schützenden Deckschichten (siehe Schutzschicht) zerstört. Somit tritt im Zusammenhang mit dem im Wasser mitgeführten Sauerstoff vermehrte Korrosion auf. Da solche Deckschichten oft für den Einsatz bestimmter Werkstoffe bei aggressiven Medien (siehe Beständigkeitstabelle) von entscheidender Bedeutung sind, muss im Zusammenhang mit Kavitation darauf geachtet werden. 

Gaskavitation 

Während bei der Dampfkavitation das Anwachsen der Keime zu sichtbaren Blasen(-gebieten) im Wesentlichen durch Verdampfung von umgebender Flüssigkeit erfolgt, entstehen bei dem als Gaskavitation bezeichneten Vorgang Blasen durch Ausgasen von gelösten Gasen aus der Flüssigkeit in Verbindung mit Diffusion. Das Ausgasen erfolgt, wenn der Flüssigkeitsdruck den von der Konzentration der gelösten Gase (meist von Luft) abhängigen Sättigungsdruck unterschreitet. Da dieser Sättigungsdruck häufig größer ist als der Dampfdruck der Flüssigkeit, kann Gaskavitation auch beim Absinken des Flüssigkeitsdrucks auf Werte oberhalb des Dampfdrucks auftreten. Die Auswirkungen der im Zusammenhang mit Gaskavitation entstehenden Gasblasen auf die Strömung, die Energieumsetzung und somit auf Förderhöhe und Wirkungsgrad von Kreiselpumpen sind denen von Dampfkavitation vergleichbar. Im Unterschied zur Dampfkavitation ist die Gaskavitation jedoch nicht in vergleichbarem Maße gefährlich im Hinblick auf eine Werkstoffschädigung, da bei wieder ansteigendem Druck auch der Zerfall der Blasen im Wesentlichen über Diffusion von Gas in die Flüssigkeit und damit sehr viel langsamer als der Zerfall von Dampfblasen erfolgt.
Gas- und Dampfkavitation können sich auch überlagern. So enthalten Dampfblasen, die nach Erreichen oder Unterschreiten des Dampfdrucks im Gebiet minimalen Drucks (bei Kreiselpumpen meist an den Laufradschaufeln) entstehen, auch Gas, das durch Diffusion bei Annäherung der Flüssigkeit bspw. in der Saugleitung einer Kreiselpumpe aus der Flüssigkeit ausgeschieden wird. Damit trägt die Gasausscheidung auch zur Bildung und Vergrößerung von Kavitationskeimen bei und verstärkt somit das Ausmaß der Kavitation und ihre Auswirkungen auf die Strömung und damit zusammenhängende Effekte wie Förderhöhen- und Wirkungsgradabfall. Andererseits wirkt sich jedoch das in den Kavitationsblasen zusätzlich zum Dampf enthaltene, nicht kondensierende Gas beim Blasenzerfall vorteilhaft aus, indem es die Heftigkeit des Blasenzerfalls infolge der Dampfkondensation abdämpft und somit die mechanische Einwirkung auf Werkstoffoberflächen und das mit der Kavitation verbundene Geräusch mindert. Untersuchungen haben gezeigt, dass die "Aggressivität" von Dampfkavitation im Hinblick auf Kavitations-Erosion mit steigendem Gasgehalt in gelöster und/oder ungelöster Form deutlich abnimmt (siehe auch Gasgehalt im Fördermedium).