Diagnose von Kavitation

1. Definition: Was ist Kavitation?

Kavitation ist ein zerstörerisches Phänomen, das in Pumpen und anderen hydraulischen Systemen auftritt. Es handelt sich um die schnelle Bildung und das heftige Zerplatzen (Implosion) von Dampfblasen in einer Flüssigkeit. Dies geschieht, wenn der statische Druck der Flüssigkeit unter ihren Dampfdruck fällt.

Obwohl Kavitation oft als „zischendes“ oder „klapperndes Murmelgeräusch“ beschrieben wird, ist sie eine bedeutende Quelle für Vibration und kann schwere Erosionsschäden an Pumpenlaufrädern und -gehäusen verursachen. Es handelt sich um ein Anzeichen für ein hydraulisches und nicht für ein mechanisches Problem, lässt sich aber mithilfe einer Schwingungsanalyse leicht erkennen.

2. Die zwei Arten der Kavitation

a) Saugkavitation

Dies ist die häufigste Form der Kavitation. Sie tritt auf, wenn der Pumpe Flüssigkeit „unterversorgt“ wird, d. h. die verfügbare positive Saughöhe (NPSHa) geringer ist als die von der Pumpe benötigte positive Saughöhe (NPSHr).

• Mechanismus: Der niedrige Druck am Auge des Laufrads bringt die Flüssigkeit zum Kochen und es bilden sich Dampfblasen. Wenn diese Blasen in die Bereiche mit höherem Druck der Laufradschaufeln getragen werden, kollabieren sie heftig.
• Ursachen: Ein verstopfter Saugfilter, ein teilweise geschlossenes Saugventil, eine Saugleitung mit zu langer oder zu kleiner Leitungslänge oder die Pumpe muss die Flüssigkeit aus einer zu großen Höhe heben.

b) Entladungskavitation

Dies kommt seltener vor und tritt auf, wenn der Auslassdruck der Pumpe extrem hoch ist und dadurch verhindert wird, dass Flüssigkeit aus der Pumpe fließt.

• Mechanismus: Die Flüssigkeit wird zwischen den Flügeln des Laufrads eingeschlossen und zirkuliert mit hoher Geschwindigkeit. Dadurch entsteht eine Niederdruckzone, in der sich Blasen bilden. Diese Blasen implodieren dann, wenn sie den Niederdruckbereich verlassen.
• Ursachen: Ein blockiertes oder geschlossenes Auslassventil oder das Pumpen gegen einen „toten Druck“ (eine vollständig blockierte Auslassleitung).

3. Die Schwingungssignatur der Kavitation

Die heftige Implosion tausender winziger Dampfblasen erzeugt keine einzelne, klare Frequenz. Stattdessen entsteht eine sehr deutliche Schwingungssignatur:

• Hochfrequentes Breitbandrauschen: Der Hauptindikator für Kavitation ist eine deutliche Erhöhung des Grundrauschens der FFT-Spektrum, insbesondere bei hohen Frequenzen (typischerweise über 2.000 Hz). Es erscheint als „Buckel“ zufälliger Breitbandenergie und nicht als deutliche Spitzen.
• Zufällig und instabil: Die Schwingung ist zufällig und nicht periodisch, weshalb sie keine scharfen Spitzen erzeugt. Die Gesamtamplitude kann erheblich schwanken.
• Mögliche Harmonische der Blattdurchgangsfrequenz: In einigen Fällen kann die zufällige Energie aus der Kavitation die Schaufeldurchgangsfrequenz (BPF = Anzahl der Schaufeln × Laufgeschwindigkeit) und seine Harmonischen, aber das dominierende Merkmal wird immer noch das Breitband-Grundrauschen sein.

Bei starker Kavitation kann es zu Folgeschäden kommen, wie z. B. Erosion des Laufrads, was wiederum zu einer echten mechanischen Unwucht, was als hoher 1X-Peak angezeigt würde.

4. Bestätigung

Da es sich bei der Vibrationssignatur um zufälliges Rauschen handelt, kann sie manchmal mit anderen Turbulenzquellen oder Strömungsproblemen verwechselt werden. Eine Bestätigung kann durch Folgendes erreicht werden:

• Hören: Kavitation erzeugt oft ein deutlich hörbares Geräusch, ähnlich wie herumrollender Kies oder Murmeln in der Pumpe.
• Prozessänderungen: Bei Verdacht auf Saugkavitation sollte das vorsichtige und langsame Öffnen des Saugventils (falls teilweise geschlossen) oder das Reinigen des Saugsiebs das hochfrequente Vibrationsgeräusch sofort reduzieren oder beseitigen. Dies ist ein sehr effektiver Diagnosetest.

Es ist wichtig, Kavitation schnell zu beheben, da die Implosionen wie ein Mikrostrahlhammer wirken, der die Laufradschaufeln und die Pumpenspirale absplittert und erodiert, was zu einem vorzeitigen Ausfall führt.

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