Kavitation

Kavitation ist die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen (Dampfblasen) in flüssigen Medien, d.h. eine Hohlraumbildung durch Verdampfen bei Unterschreiten des Dampfdruckes durch den statischen Flüssigkeitsdruck. Flüssigkeiten mit hohen Dampfdrücken sind naturgemäß noch stärker kavitationsgefährdet.

Wobei zu bedenken ist, das ein Ausgasen (Entweichen von in der Flüssigkeit gelösten Gasen) keine Kavitation ist. Prinzipiell haben Kavitation und Strömungsablösung nichts miteinander zu tun, auch wenn sie oft gemeinsam auftreten.

Entstehung und Implosion der Kavitationsblasen

Bei "normalen" Luftdruck von 1013,25 hPa verdampft Wasser bei 100 °C. Bei einem höheren Druck ist die Verdampfungstemperatur höher, bei einem geringeren Druck niedriger. So verdampft Wasser bei einem Druck von nur 23,37 hPa bereits bei einer Temperatur von 20 °C. Beim Verdampfen entstehen im Wasser Blasen, da der Wasserdampf bei 20 °C einen vielfach größeren Raum als das flüssige Wasser benötigt. Sofern der Wasserdruck wieder ansteigt, hört der Verdampfungsvorgang wieder auf, der in der Kavitationsblase entstandene Wasserdampf kondensiert an der Außenwand der Dampfblase, und die bereits gebildeten Dampfblasen fallen schlagartig in sich zusammen. Der vorher benötigte Raum wird schlagartig kleiner, das Wasser muss diesen Raum wieder ausfüllen und strömt implosionsartig zurück, wodurch im Wasser sehr starke – wenn auch kurzzeitige – Druckstöße entstehen, die Größenordnungen von mehreren 100 MPa (=1000 Bar) annehmen können. Bei diesem Vorgang entstehen Druckwellen mit hohen Druckspitzen. Befinden sich die Dampfblasen in der Nähe oder direkt an einer festen Wand, zum Beispiel den Laufradschaufeln, so entsteht bei der Implosion ein Flüssigkeitsstrahl, ein sogenannter Mikrojet, der mit hoher Geschwindigkeit auf die Wand beziehungsweise Laufradschaufel auftrifft und diese durch die schlagartige Druckbelastung hoch beansprucht. Daher rühren die kraterförmigen Materialabtragungen beim Auftreten von Kavitation.

Auswirkung der Kavitation

Kavitation tritt im Bereich der Hydraulischen Strömungsmaschinen bei Turbinen und Pumpen auf und folgende Auswirkungen lassen sich feststellen:

  • Mechanische Schäden: Das Oberflächenmaterial wird durch die hohen mechanischen Beanspruchungen in mikroskopisch kleinen Teilen deformiert. Nach einiger Zeit brechen aus der Oberfläche größere Partikel heraus. Es kommt zum Kavitationsfraß.
  • Geräuschentwicklung: Durch das Implodieren des Hohlraums kann eine sehr laute knallende/knatternde Geräuschkulisse entstehen.

Kaplan – Entdecker der Kavitation bei Wasserturbinen

Die Entdeckung der Kavitation erfolgte bei Schiffsschrauben etwa um das Jahr 1890, als der Antrieb von Dampfmotoren auf Dampfturbinen umgestellt wurde. Erst nachdem schon mehrere große Kaplan-Turbinen in Betrieb genommen worden sind, eurde ein sehr eindringliches Betriebsgeräusch der Turbine festgestellt und gleichzeitig blieb der erwartete Wirkungsgrad aus. Um das Jahr 1921 entdeckte Viktor Kaplan gemeinsam mit dem Assistenten Slavik die Kavitation bei Wasserturbinen. Erst durch konstruktive Massnahmen an der Turbine wurde das Problem der Kavitation beherrschbar und die Erfolgsgeschicht der Kaplan-Turbine und den jeweiligen Weiterentwicklungen nahm seinen Anfang.

Info Prüfstand

Das Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen untersucht das Kavitationsverhaltens von Pumpen, Pumpturbinen und Turbinen mittels numerischer Simulation (CFD) und/oder am Prüfstand des Instituts.

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