Diagnose von Kavitation
Kavitation ist ein zerstörerisches Phänomen, das auftritt Pumpen und anderen hydraulischen Systemen: die schnelle Bildung und das gewaltsame Zusammenfallen (Implosion) von Dampfblasen in einer Flüssigkeit. Dies geschieht, wenn der lokale statische Druck der Flüssigkeit unter ihren Dampfdruck fällt, so dass die Flüssigkeit bei Umgebungstemperatur kurzzeitig kocht und dann wieder kondensiert, wenn sich der Druck erholt. Obwohl sie oft als “zischendes” oder “klapperndes” Geräusch von Murmeln beschrieben wird, ist Kavitation eine bedeutende Quelle von Vibration und kann schwere, erosive Schäden an Laufrädern und Gehäusen verursachen. Entscheidend ist, dass es sich um ein Zeichen für eine hydraulisch Problem und nicht ein mechanisches - es ist jedoch leicht zu erkennen mit Schwingungsanalyse, und ist damit ein klassisches Beispiel für die Verwendung von Vibrationen zur Diagnose eines Prozessfehlers.
1. Definition: Was ist Kavitation?
Die Physik der Kavitation hängt von der Beziehung zwischen dem lokalen Druck und dem Dampfdruck ab. In einer Pumpe wird die Flüssigkeit beim Eintritt in das Laufradauge beschleunigt, und nach dem Bernoulli-Prinzip sinkt durch diese Beschleunigung der örtliche Druck. Wenn der Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit sinkt, bilden sich winzige Dampfhohlräume. Sie überleben nur so lange, bis die Strömung sie in einen Bereich mit höherem Druck trägt - in der Regel einige Millimeter weiter entlang der Schaufel -, wo sie fast augenblicklich zusammenbrechen. Jedes Kollabieren ist eine mikroskopische Implosion, die einen starken Druckanstieg und einen Ausbruch von Hochfrequenzenergie freisetzt. Multipliziert man dies mit den Tausenden von Blasen, die sich jede Sekunde bilden, so führt dies zu hörbarem Lärm und messbaren Vibrationen sowie zu einer langsamen, unerbittlichen Lochfraßbildung auf den Metalloberflächen.
2. Die zwei Arten der Kavitation
a) Saugkavitation
Dies ist die häufigste Form. Sie tritt auf, wenn die Pumpe “unterversorgt” ist, d. h. wenn die verfügbare positive Netto-Saughöhe (NPSHa) unter die erforderliche positive Netto-Saughöhe (NPSHr) der Pumpe fällt.
- 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 verstopftes Ansaugfilter oder -sieb, ein teilweise geschlossenes Ansaugventil, eine zu lange Ansaugleitung oder ein zu kleiner Durchmesser oder eine Pumpe, die die Flüssigkeit aus einer zu großen Höhe anheben muss.
Der saugseitige Spielraum ist im Wesentlichen ein NPSH-Problem, so dass es bei der Planung oder Fehlersuche in einer Anlage hilfreich ist, die Zahlen explizit zu überprüfen; unsere NPSH-Rechner errechnet die verfügbare Förderhöhe und zeigt, wie nahe ein System an der Kavitationsgrenze fährt.
b) Druckseitige Kavitation (Discharge Cavitation)
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).
Die interne Hochgeschwindigkeitsrezirkulation hinter der Auslasskavitation ist eng mit der Strömung verbunden Umwälzung, eine weitere Instabilität mit geringem Durchfluss, die einige der gleichen Symptome aufweist und eine von mehreren ist Defekte an Kreiselpumpen ein Analytiker lernt, zu unterscheiden.
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 wichtigste Indikator ist ein deutlicher Anstieg des “Grundrauschens” der FFT-Spektrum, besonders bei hohen Frequenzen (typischerweise über 2.000 Hz). Es erscheint als ein breiter “Buckel” zufälliger Energie und nicht als diskrete Spitzenwerte.
- Zufällig und unbeständig: Die Schwingung ist zufällig und nicht periodisch - genau deshalb erzeugt sie keine scharfen Linien - und die Gesamtamplitude kann von Moment zu Moment merklich schwanken. Diese Zufälligkeit unterscheidet die Kavitation von der normalen Strömung Turbulenz, die in der Regel milder und weniger häufig sind.
- Potenzielle Oberschwingungen der Schaufeldurchgangsfrequenz: In einigen Fällen kann die Zufallsenergie die Schaufelpassierfrequenz (BPF = Anzahl der Schaufeln × Betriebsdrehzahl) und seine Oberwellen, aber das dominierende Merkmal bleibt das breitbandige Grundrauschen. Auf Pumpen wird diese Komponente oft als Schaufeldurchgangsfrequenz.
Da die Energie breitbandig und impulsiv ist, können Techniken, die auf wiederholte Stöße abgestimmt sind, die Diagnose schärfen: Hüllkurvenanalyse und Metriken wie Scheitelfaktor reagieren stark auf die schnellen Blasen-Kollaps-Transienten. Wenn die Kavitation fortschreitet, kann sie Sekundärschäden - Erosion des Laufrads - verursachen, die dann eine echte mechanische Belastung darstellen. Unwucht die sich als hohe 1×-Spitze zeigt, eine nützliche Erinnerung daran, dass ein Fehler einen anderen hervorbringen kann.
4. Bestätigung
Da es sich bei der Signatur um ein zufälliges Rauschen handelt, kann es mit anderen turbulenz- oder strömungsbedingten Quellen verwechselt werden, so dass sich eine Bestätigung lohnt, bevor man sich zu einer Reparatur entschließt:
- Hören: Kavitation erzeugt oft ein deutlich hörbares Geräusch, wie Kies oder Murmeln, die im Inneren der Pumpe herumrollen - häufig der erste Hinweis, den ein Bediener auf dem Boden bemerkt.
- Prozessänderungen: Bei Verdacht auf Ansaugkavitation sollte das vorsichtige und langsame Öffnen eines teilweise geschlossenen Ansaugventils oder die Reinigung des Ansaugsiebs das hochfrequente Geräusch sofort reduzieren oder beseitigen. Dieser absichtliche "Change-and-observe"-Test ist eine der effektivsten Bestätigungen, die es gibt, da er direkt auf die hydraulische Ursache einwirkt.
Es ist wichtig, Kavitation schnell zu beseitigen. Jede Implosion wirkt wie ein mikroskopisch kleiner Strahlhammer, der die Laufradschaufeln und die Pumpenspirale abnutzt und zu einem vorzeitigen Ausfall führt. Vor Ort besteht der praktische Arbeitsablauf darin, die Breitbandsignatur mit einem Schwingungsanalysator zu bestätigen, die hydraulische Ursache zu beseitigen und dann zu überprüfen, ob die Maschine wieder in einen sauberen mechanischen Zustand zurückgekehrt ist. Ein tragbares Zweikanalgerät wie das Balanset-1A ist für diesen letzten Schritt gut geeignet: Sobald der Prozessfehler ausgehärtet ist, misst es die 1× Amplitude und Phase in den Lagern der Pumpe bei Betriebsdrehzahl, so dass eventuelle Restmengen Ungleichgewicht die durch Erosion entstanden sind, können quantifiziert und durch In-Place-Korrekturen korrigiert werden. Bilanzierung.
