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ANSYS BLOG

January 30, 2020

Was verursacht Pumpen-Kavitation und wie kann man sie verhindern?

Pumpen, Laufräder und Propeller sind ein wesentlicher Bestandteil der täglichen Infrastruktur. Sie halten Kraftwerke, Schiffe und Produktionsanlagen auf der ganzen Welt am Laufen.

Ein wichtiges Anliegen der Ingenieure, die diese Maschinen konstruieren und einsetzen, ist die Vermeidung von Kavitation, d. h. von plötzlichen Phasenänderungen in der Flüssigkeit, die die Mechanismen physisch beschädigen können.


Kavitation in der Pumpe kann interne Mechanismen beschädigen.

Um dies zu verhindern, müssen Ingenieure sicherstellen, dass die richtige Technik und die richtigen Materialien in ein funktionierendes System eingebaut wird. Simulationen sind eine kosteneffiziente Lösung zur Optimierung von Pumpenkonstruktionen und -konfigurationen, um unbeabsichtigte Phasenwechsel zu vermeiden.


Was ist die Ursache für Kavitation?

Kavitation tritt auf, wenn sich in einer Flüssigkeit Blasen oder Hohlräume bilden, weil der Druck schnell unter den Dampfdruck fällt. Wenn die Blasen einem höheren Druck ausgesetzt sind, kollabieren sie und erzeugen kleine Schockwellen, die mit der Zeit Teile beschädigen. Wenn diese Druckwellen winzige Löcher in Teile schlagen, nennt man das Lochfraß.


Propeller durch Kavitation angegriffen

Geräusche, Vibrationen und verminderte Leistung sind gute Indikatoren für Pumpenkavitation. Wenn diese Warnzeichen auftreten, sollten Techniker die Anlage untersuchen, um festzustellen, ob sich Gruben gebildet haben.

Lochfraß oder "Pitting" ist eines der Hauptprobleme für Ingenieure. Denn wenn die Grübchen wachsen und vermehrt auftreten, können sie die Lebensdauer und Effizienz der Pumpe verringern. Lochfraß oder

Aber es gibt noch andere Gründe, warum Ingenieure die Bildung von Blasen in ihren Geräten reduzieren wollen. Zum Beispiel können die Druckwellen Vibrationen erzeugen, die zum Ausfall anderer Teile führen könnten - etwa eines Lagers.

Da sich Kavitation auch auf die Durchflussmenge und den Wirkungsgrad einer Pumpe auswirkt, müssen Ingenieure den Stromverbrauch erhöhen, um den Durchsatz aufrechtzuerhalten. Dies führt zu einem Anstieg der Treibhausgase und der Kraftstoffkosten.


Wie man Kavitation in der Pumpe vermeidet

Die beste Möglichkeit, Kavitation bei Pumpen zu verhindern, ist die Erhöhung des Drucks vor dem Pumpenlaufrad. Dieser Druck wird als positive Netto-Saughöhe (NPSH - net positive suction head) bezeichnet.


Eine Ansys EnSight Visualisierung des Ölvolumens in einer Gerotorpumpe zeigt das
Ausmaß der Kavitation (rot) an der Zahnradwand.

Einige Möglichkeiten, wie Ingenieure den NPSH-Wert erhöhen können:

  • Erhöhung des Wasserstandes im Oberlauf des Stausees
  • Fügen Sie dem Pumpeneinlass einen Inducer hinzu.
  • Optimierung der Laufradkonstruktion
  • Strömungsverluste stromaufwärts minimieren
  • Betreiben Sie die Pumpe mit geringeren Fördermengen

In der Entwurfsphase ist es unwahrscheinlich, dass man als Ingenieure zu 100% alle Parameter kennt, wie eine Pumpe in einer bestimmten Anlage eingesetzt werden soll. Daher testen sie mit Hilfe von Berechnungen und Simulationen verschiedene Konfigurationen, um den Endnutzern geeignete NPSH-Werte zu liefern. Diese Werte helfen bei der Zuordnung einer Pumpe zu einer bestimmten Anlage.

Traditionell verwenden Ingenieure die Rayleigh-Plesset-Gleichung, um die Blasenbildung zu simulieren. Die Herausforderung besteht darin, dass diese Ergebnisse empirisch sind und unrealistische Ergebnisse liefern können, wenn die Eingangsparameter nicht richtig eingestellt wurden.

Alternativ können Ingenieure ein Gleichgewichtsphasenänderungsmodell in Ansys CFX verwenden, um Kavitation zu simulieren. Es nutzt Materialeigenschaften, um die Bildung von Blasen ohne empirische Daten vorherzusagen. Folglich ist keine Anpassung der Rayleigh-Plesset-Gleichung erforderlich, um genaue Ergebnisse zu erzielen.

Die Ingenieure können dann die Simulation parametrisieren, so dass sie ihre Entwürfe schnell durch verschiedene Konfigurationen durchlaufen können, um NPSH-Werte zu erhalten. Sie können auch ein Diagramm erstellen, das zeigt, wie die Verringerung des NPSH-Wertes die von der Pumpe durch plötzliche Phasenwechsel erzeugte Förderhöhe reduziert.

Wenn Sie mehr über das Modell des Phasenwechsels im Gleichgewicht erfahren möchten, lesen Sie diesen Anwendungsbericht: Cavitation: Eine kritische CFD-Anwendung, die Sie richtig einsetzen müssen.

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