Ultraschallkavitation und kavitierende Fluidmaschinen

Kavitation ist ein häufiges auftretendes Phänomen an Pumpen, Turbinen und in Ventilen und Armaturen. Sie führt kurzfristig zu Fördermengenabfall, Durchflussbegrenzung und langfristig zu abrasivem Abtrag an Pumpschaufeln und Flächen, die mit dem kavitierenden Fluid in Kontakt stehen.
Bei der GMBU e.V. Halle wurden verschiedene Messkonzepte entwickelt, um Kavitation in Leistungsultraschallanlagen und Fluidenergiemaschinen nichtinvasiv und zeitnah zu erfassen und zu quantifizieren.

NICHTINVASIVE ERFASSUNG VON KAVITATION IN PUMPEN UND TURBINEN

Mit dem Einsetzen der Kavitation in Strömungsmaschinen kommt es zur Ausbildung von Kavitationblasenfeldern an den Abrisskanten der Laufräder. Diese werden mit dem rotierenden Laufrad mitgeschleppt oder lösen sich ab. Die kavitierenden Blasen sind eine Geräuschquelle. Gleichzeitig verändern die Blasenfelder die akustische Impedanz des Fördermediums und führen zu einer akustischen Dämpfung der hydraulischen Laufgeräusche. Die vielfältigen akustischen Auswirkungen der Kavitation können mit AE-Sensoren oder Körperschallsensoren erfasst werden. AE-Sensoren verfügen im Vergleich zu Körperschallsensoren über eine höhere Frequenzbandbreite und Signaldynamik. Dies ermöglicht die Auflösung der Kavitationsereignisse bis hin zum Geschehen an der Einzelschaufel.

NACHWEIS DER KAVITATION UND KAVITATIONSINTENSITÄT MIT AKUSTISCHER EMISSION

Das AE – Messkonzept der GMBU e.V. beruht auf der nichtinvasiven Erfassung des Kavitationsrauschens mit AE – Piezosensoren.
Das Messkonzept wurde an Leistungsultraschallprozessoren getestet. Dabei wird die Sonotrode als Wellenleiter für die hochfrequenten AE benutzt. Das gemittelte Kavitationsrauschen bildet sich im Log-Plot-Spektrum als charakteristische Kurve ab. Das Messkonzept lässt sich analog auf die Erfassung des hydrodynamisch erzeugten Kavitationsrauschens übertragen (universelles Skalenverhalten).

ERSCHEINUNGSFORMEN DER KAVITATION

Kavitation zeigt sich in Maschinen in einer Vielzahl von Erscheinungsformen, z.B. Schichtkavitation, Ablösen von Kavitationswolken (Shedding) bis hin zur Superkavitation. Untersuchungen an einer konvergent-divergenten Düse (Abb. Unten) zeigen, dass sich fotografisch erfassbare kavitierende Blasenstrukturen durch AE-Signaturen abbilden lassen. Dies eröffnet den Weg zu einer nichtinvasiven Messmethode für Strömungsmaschinen.

VON DER ERFASSUNG DER KAVITATIONSINTENSITÄT ZUR KAVITATIONSEROSION

Unsere Vision ist die Herstellung des Zusammenhangs zwischen der Kavitationsintensität und der Kavitationserosion auf der Grundlage der AE – Messung. Hierzu finden bei GMBU e.V. Halle Untersuchungen zur Einschätzung der Kavitationsaggressivität statt.
Das Ziel ist auch hier, frühzeitig Aussagen zum Schädigungspotential kavitierender Strukturen zu machen und damit die Konzepte für das Condition Monitoring und das Predictive Maintenance in Strömungsmaschinen zu verbessern.