Die häufigste Annahme bei der Pumpenauswahl lautet: Übersteigt die vorhandene Zulaufhöhe die erforderliche (NPSHa > NPSHr), gibt es keine Kavitation. Das ist falsch, und der Grund steckt in der Definition von NPSHr.
NPSHr ist bereits ein kavitierender Punkt
Der veröffentlichte NPSHr-Wert ist der Punkt, an dem die Förderhöhe der Pumpe um 3 % abgefallen ist. Bis dieser Wert erreicht ist, hat die Kavitation längst begonnen, und ein Teil der Beschaufelung arbeitet unter einem Dampfschleier. Der Kavitationsbeginn liegt deutlich über diesem Wert.
Eine Reserve ist daher erforderlich. ANSI/HI 9.6.1 definiert die empfohlene NPSH-Reserve nach Anwendung, Pumpenbauart und Abstand des Betriebspunkts vom Bestpunkt (BEP) [1]. Die Reserve fällt je nach Anwendung verschieden aus — eine Prozesspumpe für Kohlenwasserstoffe und eine Wasser-/Abwasserpumpe erhalten nicht dieselbe.
Wenn sich der Betriebspunkt vom Bestpunkt entfernt
Bei Teillast trifft die Strömung die Schaufel nicht im richtigen Winkel; an der Saugkante treten Ablösung und Rezirkulation auf. Der örtliche Minimaldruck fällt weit unter den mittleren Saugdruck. Dieselbe Pumpe, die im Bestpunkt sauber läuft, kann bei 50 % Förderstrom kavitieren.
Für die Analyse folgt daraus: Kavitation an einem einzigen Betriebspunkt zu prüfen genügt nicht. Das Teillastende der Kennlinie muss gesondert geprüft werden.
Modellierung
Kavitationsmodelle leiten Dampfbildungs- und Kondensationsraten aus einer reduzierten Form der Rayleigh-Plesset-Gleichung ab; das „full cavitation model" von Singhal und Mitarbeitern ergänzt diese um gelöstes Gas und turbulente Druckschwankung [2].
Worauf in der Praxis zu achten ist:
- Der Dampfdruck hängt von der Temperatur ab. Wasser bei 20 °C und Wasser bei 80 °C stellen nicht dieselbe Aufgabe; bei Kesselspeisepumpen ist das entscheidend.
- Die stationäre Rechnung führt in die Irre. Der momentane Minimaldruck liegt deutlich unter dem Mittelwert; die Frage nach dem Kavitationsbeginn verlangt meist eine instationäre Lösung. Siehe die Notiz zu stationär und instationär.
- Verwenden Sie das Ergebnis vergleichend, nicht absolut. Kavitationsmodelle sind schwach darin, den Beginn absolut vorherzusagen, aber verlässlich bei der Frage, welche von zwei Schaufelgeometrien später kavitiert. Siehe die Notiz zu signifikanten Stellen.
Derselbe Mechanismus in Armaturen
In Klappen und Kugelhähnen fällt der Druck im engsten Querschnitt beim Drosseln unter den Dampfdruck. Die Gefahr besteht dort nicht im Wirkungsgradverlust, sondern in der Erosion durch stromab kollabierende Blasen — der Schaden findet sich oft nicht in der Armatur selbst, sondern einige Durchmesser weiter in der Rohrleitung.
Referenzen
- Hydraulic Institute. ANSI/HI 9.6.1 — Rotodynamic Pumps Guideline for NPSH Margin. Hydraulic Institute, Parsippany, NJ.
- Singhal, A. K., Athavale, M. M., Li, H. & Jiang, Y. (2002). Mathematical basis and validation of the full cavitation model. Journal of Fluids Engineering, 124(3), 617–624. DOI: 10.1115/1.1486223