Kavitation in doppelsaugenden Split-Case-Pumpen: Ursachen, Laufraddesign und Lösungen

Kavitation ist eines der häufigsten hydraulischen Probleme bei Kreiselpumpen, insbesondere bei Anwendungen mit hohen Durchflussraten, anspruchsvollen Saugbedingungen oder Dauerbetrieb. Bei Doppelsaugpumpen mit geteiltem Gehäuse kann Kavitation die hydraulische Leistung verringern, Vibrationen und Geräusche erhöhen, Laufradoberflächen beschädigen und die Lebensdauer kritischer Komponenten verkürzen.

Obwohl Kavitation häufig mit einem unzureichenden Saugdruck einhergeht, wird das Problem nicht allein durch die Saugbedingungen bestimmt. Die Eintrittsgeometrie des Laufrads, die Strömungsgeschwindigkeit, der Betriebspunkt, die Flüssigkeitstemperatur und der Widerstand der Saugleitung beeinflussen alle die Wahrscheinlichkeit einer Kavitation.

Die Verbesserung der Kavitationsbeständigkeit erfordert daher eine Kombination aus geeigneter Pumpenauswahl, Optimierung des hydraulischen Designs und korrektem Systembetrieb.

In diesem Artikel wird erläutert, wie Kavitation bei Doppelsaugpumpen mit geteiltem Gehäuse entsteht, es werden zwei wichtige Verbesserungen der Laufradkonstruktion untersucht und praktische Methoden zur Verhinderung von Kavitation in industriellen Pumpsystemen vorgestellt.

 

 

1. Was ist Kavitation in einer Split-Case-Pumpe?

Kavitation entsteht, wenn der lokale Druck einer Flüssigkeit unter ihren Dampfdruck fällt, wodurch ein Teil der Flüssigkeit verdampft und kleine Dampfblasen bildet.

Wenn diese Blasen in Bereiche mit höherem Druck innerhalb der Pumpe gelangen, kollabieren sie schnell. Wiederholter Blasenkollaps kann örtliche Druckstöße erzeugen und nahegelegene Metalloberflächen beschädigen.

Bei einer Doppelsaugpumpe mit geteiltem Gehäuse entsteht häufig Kavitation rund um den Laufradeinlass, insbesondere in der Nähe der Vorderkanten der Schaufeln, wo eine lokale Strömungsbeschleunigung zu einer Druckreduzierung führen kann.

Typische Symptome sind:

Ungewöhnliches Knistern oder kiesartiges Geräusch während des Betriebs.

Erhöhte Vibration und instabiler Betrieb.

Lochfraß oder Erosion auf Laufradoberflächen.

Reduzierte Pumpenförderhöhe und hydraulische Effizienz.

Schwankende Durchflussmenge und Förderdruck.

In schweren Fällen kommt es zu vorzeitigen Schäden an Lagern und Gleitringdichtungen.

Kavitation ist vom Eindringen von Luft in die Saugleitung zu unterscheiden. Beides kann zu Geräuschen und einem instabilen Betrieb führen, die Ursachen und Korrekturmaßnahmen sind jedoch unterschiedlich. Bei einer ordnungsgemäßen Diagnose sollten Ansaugdruck, Flüssigkeitszustand, Betriebsdaten und interne Inspektionsergebnisse berücksichtigt werden.

 

2. Warum sind Doppelsaugpumpen mit geteiltem Gehäuse anfällig für Kavitation?

Eine Doppelansaugpumpe mit geteiltem Gehäuse verwendet normalerweise ein horizontal geteiltes Gehäuse und ein Laufrad mit doppeltem Einlass. Flüssigkeit tritt von beiden Seiten in das Laufrad ein und teilt den Gesamtstrom auf zwei Einlasskanäle auf.

Diese Anordnung bietet Vorteile für Anwendungen mit großem Durchfluss und kann dazu beitragen, axiale hydraulische Kräfte auszugleichen. Allerdings wird die Kavitation dadurch nicht automatisch beseitigt.

Der Druck am Laufradeintritt hängt von mehreren Faktoren ab:

Hohe Einlassströmungsgeschwindigkeit

Wenn Flüssigkeit durch einen verengten oder schlecht gestalteten Einlasskanal strömt, kann sich ihre Geschwindigkeit erhöhen und der örtliche statische Druck sinken. Sinkt der örtliche Druck unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, können sich Dampfblasen bilden.

Ungeeignete Betriebsbedingungen

Ein Betrieb zu weit außerhalb des empfohlenen Betriebsbereichs kann zu ungünstigen Strömungsmustern, erhöhten hydraulischen Verlusten, Strömungsablösungen und lokalen Druckschwankungen führen.

Unzureichende Saugbedingungen

Eine hohe Saughöhe, eine lange Saugleitung, ein unterdimensioniertes Rohr, ein teilweise geschlossenes Ventil oder ein verstopfter Filter können die Saugverluste erhöhen und den am Pumpeneinlass verfügbaren Druck verringern.

Hohe Flüssigkeitstemperatur

Mit zunehmender Flüssigkeitstemperatur steigt im Allgemeinen ihr Dampfdruck. Dies verringert den verfügbaren Druckspielraum, bevor es zur Dampfbildung kommt.

Ungleichmäßige Zuflussverteilung

Schlechte Saugrohranordnungen, nahegelegene Rohrbögen, abrupte Änderungen des Rohrdurchmessers oder andere stromaufwärts gelegene Störungen können zu einem ungleichmäßigen Geschwindigkeitsprofil führen. Dies kann zu ungünstigen Strömungsverhältnissen am Laufradeintritt führen, selbst wenn der Gesamtsaugdruck akzeptabel erscheint.

Das Verständnis dieser Faktoren ist wichtig, bevor entschieden wird, ob das Problem eine Systemänderung, eine Neukonstruktion der Pumpe oder eine Kombination aus beidem erfordert.

 

3. Zwei wichtige Verbesserungen des Laufraddesigns für den Kavitationswiderstand

Eine Verbesserung des hydraulischen Designs des Laufradeinlasses kann dazu beitragen, die lokale Strömungsbeschleunigung und den Druckverlust zu reduzieren. Zwei zu bewertende Konstruktionsparameter sind das vordere Deckbandprofil und der Laufradnabendurchmesser.

3.1 Optimieren Sie den Wenderadius der vorderen Abdeckung

Die vordere Abdeckung, auch vordere Abdeckplatte genannt, ist Teil des Einlassströmungskanals des Laufrads.

In der Nähe der Vorderkante der Laufradschaufel beeinflusst die Geometrie der vorderen Abdeckung, wie sich die Flüssigkeit dreht und in die Schaufelkanäle eintritt. Ein abrupter Übergang oder eine ungeeignete Krümmung kann zu lokaler Beschleunigung, Strömungsablösung und ungünstiger Druckverteilung führen.

Die Optimierung des Wenderadius der Frontverkleidung kann dazu beitragen, einen gleichmäßigeren Einlasskanal zu schaffen.

Zu den potenziellen Vorteilen gehören:

Reduzierung abrupter Strömungsrichtungsänderungen.

Verbesserung der Verteilung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Nähe des Schaufeleinlasses.

Reduzierung lokaler hydraulischer Verluste.

Hilft, ungünstige Niederdruckbereiche in der Nähe des Laufradeintritts zu verhindern.

Während des Konstruktionsprozesses sollte der Wenderadius zusammen mit der Einlassbreite, der Schaufelvorderkantengeometrie und dem gesamten Laufraddurchgang bewertet werden.

Ein größerer Radius ist nicht bei jeder Pumpe automatisch besser. Übermäßige geometrische Änderungen können den Durchfluss, die hydraulische Leistung oder die Machbarkeit der Herstellung beeinträchtigen. Das endgültige Profil sollte durch hydraulische Konstruktionsberechnungen, numerische Strömungsmechanik (CFD) und entsprechende Leistungstests ermittelt werden.

3.2 Den Durchmesser der Laufradnabe entsprechend reduzieren

Die Nabe ist der zentrale Teil des Laufrads, der mit der Pumpenwelle verbunden ist und die Rotationskraft auf das Laufrad überträgt.

In der Konstruktionsphase kann die Reduzierung des Nabendurchmessers bei unverändertem Laufradeinlassdurchmesser den verfügbaren Einlassströmungsquerschnitt vergrößern.

Eine größere effektive Strömungsfläche kann dazu beitragen, die durchschnittliche Einlassgeschwindigkeit unter geeigneten Bedingungen zu reduzieren und möglicherweise die Druckverteilung in der Nähe des Laufradauges zu verbessern.

Der Nabendurchmesser hängt jedoch auch eng mit der mechanischen Festigkeit zusammen.

Vor einer Änderung der Nabengeometrie müssen folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Wellendurchmesser und mechanische Festigkeit.

Wandstärke und strukturelle Integrität der Nabe.

Laufradmaterial und Drehzahl.

Spannungskonzentration rund um die Naben- und Wellenverbindung.

Anforderungen an die Befestigung und Montage des Laufrads.

Hydraulische Leistung über den vorgesehenen Betriebsbereich.

Eine Reduzierung des Nabendurchmessers ohne angemessene strukturelle Bewertung kann das Laufrad schwächen oder die Zuverlässigkeit der rotierenden Baugruppe beeinträchtigen.

Diese Änderung sollte daher als Optimierung auf Entwurfsebene und nicht als routinemäßige Reparatur vor Ort betrachtet werden. Die endgültigen Abmessungen müssen sowohl den hydraulischen als auch den mechanischen Anforderungen genügen.

 

4. Die Bedeutung von NPSH für die Verhinderung von Kavitation

Die Laufradgeometrie ist nur ein Teil der Kavitationsverhinderung. Das Verhältnis zwischen der verfügbaren Netto-Positiv-Saughöhe des Systems und der erforderlichen Netto-Positiv-Saughöhe der Pumpe muss ebenfalls bewertet werden.

NPSH bedeutet Net Positive Saugkopf. Es wird verwendet, um zu beurteilen, ob an der Saugseite der Pumpe ausreichend Druck vorhanden ist, um die Dampfbildung zu begrenzen.

Es gibt zwei wichtige Parameter:

NPSHa (Nettopositiver Saugkopf verfügbar):Der vom Pumpsystem unter tatsächlichen Betriebsbedingungen bereitgestellte NPSH.

NPSHr (Nettopositive Saughöhe erforderlich):Der NPSH-Anforderung der Pumpe bei einer bestimmten Durchflussrate und Geschwindigkeit, ermittelt durch Pumpenleistungstests.

Eine grundlegende Auswahlbedingung ist:

NPSHa > NPSHr

Auch in der praktischen Technik sollte ein angemessener Sicherheitsabstand eingehalten werden. Der erforderliche Spielraum hängt vom Pumpendesign, den Betriebsbedingungen, der geltenden Norm und den Empfehlungen des Herstellers ab.

NPSHa kann reduziert werden durch:

Zu hohe Reibungsverluste in der Saugleitung.

Hohe Saughöhe.

Niedriger Flüssigkeitsstand im Vorratstank.

Hohe Flüssigkeitstemperatur.

Verstopfte Saugventile oder verstopfte Filter.

Ungünstige Systemdruckverhältnisse.

Eine Pumpe verfügt möglicherweise über ein gut konstruiertes Laufrad, kann aber trotzdem zu Kavitation führen, wenn der verfügbare NPSH-Wert nicht ausreicht. Daher müssen sowohl pumpenseitige Anforderungen als auch systemseitige Bedingungen berücksichtigt werden.

 

5. Praktische Maßnahmen zur Reduzierung der Kavitation in bestehenden Pumpsystemen

Zusätzlich zur Verbesserung des hydraulischen Designs der Pumpe können verschiedene Anpassungen auf Systemebene zur Reduzierung der Kavitation beitragen.

Verbessern Sie die Saugleitung

Um zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Reibungsverluste zu vermeiden, verwenden Sie ein entsprechend dimensioniertes Saugrohr. Halten Sie die Saugleitung so kurz und direkt wie möglich und vermeiden Sie unnötige Bögen, abrupte Durchmesseränderungen und einschränkende Anschlüsse.

Stellen Sie sicher, dass die Saugventile während des normalen Betriebs vollständig geöffnet sind und dass Siebe oder Filter regelmäßig überprüft und gereinigt werden.

Sorgen Sie für eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr

Überprüfen Sie den Flüssigkeitsstand im Vorratstank und überprüfen Sie die Installationshöhe der Pumpe. Wenn die Bedingungen es zulassen, kann die Reduzierung des Saughubs oder die Erhöhung des statischen Flüssigkeitsspiegels den NPSHa verbessern.

Stellen Sie bei geschlossenen Systemen sicher, dass der Systemdruck für die Flüssigkeitstemperatur und die Betriebsanforderungen geeignet ist.

Arbeiten Sie in der Nähe des empfohlenen Betriebsbereichs

Überprüfen Sie die tatsächliche Durchflussrate anhand der Pumpenleistungskurve des Herstellers.

Vermeiden Sie einen längeren Betrieb bei übermäßig niedrigen oder hohen Durchflussraten, da es sonst zu hydraulischer Instabilität kommen kann. Wählen Sie eine Pumpe, deren bester Effizienzpunkt und zulässiger Betriebsbereich für die erwartete Systemleistung geeignet sind.

Überwachen Sie Temperatur und Flüssigkeitsbedingungen

Bewerten Sie bei heißen Flüssigkeiten deren Dampfdruck bei der tatsächlichen Betriebstemperatur. Änderungen der Temperatur, Zusammensetzung, Viskosität oder des Gasgehalts der Flüssigkeit können die Saugleistung beeinflussen.

Der NPSH-Anforderung der Pumpe sollte anhand der tatsächlichen Flüssigkeits- und Betriebsbedingungen bewertet werden, anstatt sich nur auf wasserbasierte Referenzdaten zu verlassen.

Überprüfen Sie die Laufräder und internen Strömungskanäle

Untersuchen Sie bei der planmäßigen Wartung die Vorderkanten der Laufradschaufeln, die Abdeckungen und andere benetzte Oberflächen auf Lochfraß, Erosion, Korrosion und Ablagerungen.

Wenn ein Schaden festgestellt wird, stellen Sie fest, ob dieser mit Kavitation, abrasivem Verschleiß, Korrosion oder einem anderen Mechanismus zusammenhängt, bevor Sie eine Reparaturmethode auswählen.

 

6. So wählen Sie eine Split-Case-Pumpe mit besserer Kavitationsbeständigkeit aus

Die Auswahl einer Pumpe mit geeigneten Saugeigenschaften ist besonders wichtig für die Wasserversorgung mit großem Durchfluss, die Kühlwasserzirkulation, die Bewässerung und industrielle Prozessanwendungen.

Vor der Auswahl einer Doppelansaugpumpe mit geteiltem Gehäuse sollten Ingenieure die folgenden Informationen prüfen:

Auswahlfaktor	Informationen zur Bestätigung
Durchflussrate	Normaler, minimaler und maximaler Betriebsdurchfluss
Total dynamischer Kopf	Erforderliche Förderhöhe unter tatsächlichen Systembedingungen
Flüssige Eigenschaften	Typ, Temperatur, Dichte, Viskosität und Dampfdruck
Saugbedingungen	Füllstand, Druck, Saughöhe und Rohrleitungsverluste im Vorratstank
NPSH	Verfügbarer NPSHa und von der Pumpe benötigter NPSHr
Pumpengeschwindigkeit	Motorgeschwindigkeit und erwartete Betriebsbedingungen
Installation	Fundament, Rohranordnung und Zuflussbedingungen
Materialien	Korrosionsbeständigkeit und Eignung für das Fördermedium

Die Pumpe sollte anhand ihrer vollständigen Leistungskurven bewertet werden, einschließlich Durchfluss, Förderhöhe, Effizienz, Leistung und NPSHr.

Für Anwendungen mit begrenztem Saugdruck oder anspruchsvollen Einlassbedingungen kann eine Pumpe mit geeigneten hydraulischen Eigenschaften mit niedrigem NPSH besser geeignet sein, als einfach einen größeren Motor oder ein Modell mit höherer Kapazität auszuwählen.

 

Abschluss

Die Kavitation bei doppelsaugenden Split-Case-Pumpen wird sowohl vom Pumpsystem als auch vom internen hydraulischen Design beeinflusst. Unzureichender NPSH, zu hohe Einlassgeschwindigkeit, ungünstige Strömungsverteilung und ungeeignete Betriebsbedingungen können zu seiner Entstehung beitragen.

Auf Konstruktionsebene können die Optimierung des Drehradius der vorderen Abdeckung und eine entsprechende Reduzierung des Laufradnabendurchmessers dazu beitragen, die Einlassströmungsbedingungen zu verbessern. Diese Modifikationen müssen jedoch zusammen mit der Laufradfestigkeit, dem Wellendesign, der hydraulischen Leistung und den Herstellungsanforderungen bewertet werden.

Bei bestehenden Anlagen sind die Verbesserung der Bedingungen der Saugleitung, die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Flüssigkeitszufuhr, der Betrieb innerhalb des empfohlenen Bereichs und die Überwachung des NPSH-Werts gleichermaßen wichtig.

Ein systematischer Ansatz, der ein solides hydraulisches Design, eine genaue Pumpenauswahl und einen ordnungsgemäßen Systembetrieb kombiniert, kann dazu beitragen, Kavitationsschäden zu reduzieren und die langfristige Zuverlässigkeit industrieller Kreiselpumpen zu verbessern.