5.3 Kavitations-Erosion

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1 5.3 Kavitations-Erosion Ursache Wirkung der Kavitation, d.h.: Kavitations-Aggressivität Folge Kavitationserosion 189

2 5.3.1 Wirkungsmechanismen der erosiven Aggressivität von Kavitation (1) Energiefluss Strömungsenergie potentielle Energie der Blasen ausgesandte Energie beim Kollaps a.) Druckwellen p p max m; O p 10 bar O R R r max max ; Wand max Reflexion (elastische Verformung) b.) micro-jets 6 10 m; O c O d jet Absorption jet 10 Hydro-, Blasendynamik Werkstoffverhalten 3 m s kumulative Wirkung (Ermüdung) spontane Wirkung plastische Verformung Bruch 190

3 5.3.1 Wirkungsmechanismen der erosiven Aggressivität von Kavitation (2) Grundvoraussetzung für die Formation eines pits 1.) mehrere Blasen bilden ein Blasen-Cluster in Form einer Wolke 2.) Ein Blasenkollaps findet in direkter Wandnähe statt und bildet einen micro-jet aus 3.) Zwei Druckschwankungen überlagern sich: ein hydrodynamischer Druckanteil aus der Kavitationstaschenumströmung; ein blasendynamischer Druckanteil, der als Flüssigkeitsschall transportiert wird. Überlagern sich diese beiden Druckanteile an einem Maximum, entsteht ein besonders hoher Druck, der die Voraussetzung für die Ausbildung eines pits bilden kann. 191

4 5.3.1 Wirkungsmechanismen der erosiven Aggressivität von Kavitation (3) Druckspitze infolge eines Blasenkollaps p O(10 5 bar) Potentielle Energie einer Dampfblase t t E pot V Dampf p p Gr Aufteilung der potentielle Energie in Flüssigkeitsschall Körperschall Wärme bleibende Veränderungen (plastische Verformungen, Bruchvorgänge) Daraus auch: Verformungswirkungsgrad 192

5 5.3.1 Wirkungsmechanismen der erosiven Aggressivität von Kavitation (4) Veränderung der Werkstoff-Oberfläche durch Einwirken von Kavitation Phase Profil Vorgang Meßmethode 1 Lockerung von Gefüge Messung und Analyse und Schutzschichten, von Druckimpulsen Ermüdung 2 Bildung von pits Auswertung von pits (= plast. Verformung) pro Zeit und Fläche 3 Überlappung von pits - Vermessung des (auch Verstärkungseffekt) Oberflächenprofils - REM 4 Bruchvorgänge, Bestimmung des Volumenverlust Gewichtsverlustes durch Wägung 193

6 5.3.1 Wirkungsmechanismen der erosiven Aggressivität von Kavitation (5) 194

7 5.3.1 Wirkungsmechanismen der erosiven Aggressivität von Kavitation (6) 195

8 5.3.2 Messmethoden (1) Methoden zur Messung der erosiven Aggressivität von Kavitation Werkstoff als Sensor: Analyse der plastischen Verformungen (3D / 2D) Bestimmung des Materialabtrags Druckstöße infolge von Blasenimplosionen Schallmessung am Gehäuse, in der Flüssigkeit, an der exponierten Struktur Druckschwankungen infolge der makroskopischen Druckstöße 196

9 5.3.2 Messmethoden (2) - Analyse der plastischen Verformung CCD- Kamera Halogenlampe Linse Bild einer beschädigten Oberfläche Fokusierebene 197

10 5.3.2 Messmethoden (3) - Analyse der plastischen Verformung Annahme geometrische Ähnlichkeit von pits 3D-rotationssymmetrische Glockenkurve r h dr y x Tiefenbestimmung über Kenntnis des charakteristischen Radius möglich z (Dissertation Retailleau 1995) 198

11 5.3.2 Messmethoden (4) - Analyse der plastischen Verformung a.) Oberflächendetail (a) mit Laser-Profilometer vermessen (b) modelliert b.) 199

12 Häufigkeit [1/ mm 2 / µm 3 ] Messmethoden (5) - Analyse der plastischen Verformung Pitvolumina - Vergleich einer Laser-Profilometermessung und Modellierung 0,25 0,20 3D Analyse 2D Analyse 0,15 0,10 0, V [µm 3 ] 200

13 5.3.2 Messmethoden (6) 201

14 5.3.2 Messmethoden (7) Strömungsrichtung drehbare Stufenkontur Kavitation Druckstoßaufnehmer (direkte Erfassung) Hydrophon (indirekte Erfassung) 202

15 5.3.2 Messmethoden (8) - Druckstöße infolge Blasenimplosionen 2 Amplitude [V] Peak-Amplitude 40 h [1/s] ,0 0,1 0,2 Zeit [ms] Typischer Signalverlauf 0,0 0,8 1,6 2,4 3,2 4 Amplitude [V] Impulshöhenhistogramm 203

16 5.3.2 Messmethoden (9) Schallmessung in der Flüssigkeit Kavitationszone Sendehydrophon F 2 F 1 Empfangshydrophon Laufrad 204

17 -4 2 U [V], E [1 * 10 V * s] Messmethoden (10) - Schallmessung an der Struktur Körperschallsensoren Energiezufuhr Signalübertragung Kavitation Signalverarbeitung Rohsignal t [ms] 205

18 -4 2 U [V], E [1 * 10 V * s] Maximalamplitude A Diskriminationsschwelle d Signalenergie E E Messmethoden (11) - Schallmessung an der Struktur Anzahl der Überschwingungen N -5 Abklingkonstante T Signaldauer D Anstiegszeit R t 0 t m t [ms] 206