Kavitation in oszillierenden Verdrängerpumpen. Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg. zur Erlangung des Grades DOKTOR-INGENIEUR

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1 Kavitation in oszillierenden Verdrängerpumpen Der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Grades DOKTOR-INGENIEUR vorgelegt von Oliver Schade München

2 Tag der Einreichung: Tag der Prüfung: Dekan: Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. habil. J. Huber Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker Prof. i.r. Dr.-Ing. habil. G. Will

3 Schriftenreihe des Lehrstuhls für Prozessmaschinen und Anlagentechnik Band 8 Oliver Schade Kavitation in oszillierenden Verdrängerpumpen D 29 (Diss. Universität Erlangen-Nürnberg) Shaker Verlag Aachen 2009

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2009 Copyright Shaker Verlag 2009 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Erfolg ist was erfolgt, wenn man sich selbst folgt Für Marion und meine Familie!

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7 Vorwort Die vorliegende Arbeit ist das Ergebnis einer interessanten Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik der Friedrich- Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Zu dem erfolgreichen Abschluss dieser Arbeit haben mehrere Personen beigetragen, denen mein ganz besonderer Dank gebührt. An erster Stelle danke ich meinem Doktorvater, Prof. Dr.-Ing. E. Schlücker, für die Möglichkeit, an seinem Lehrstuhl zu promovieren. Durch sein Vertrauen in mich und meine Arbeit sowie zahlreichen Diskussionen und Anregungen konnte ich meine persönlichen Fähigkeiten nachhaltig weiterentwickeln, so dass die Zeit am Lehrstuhl für mich immer einen unschätzbaren Wert haben wird. Vielen Dank dafür! Herrn Professor Will danke ich für die freundliche Übernahme des Koreferats sowie sein großes Interesse an der Arbeit. Weiterhin danke ich allen Mitarbeitern des Lehrstuhls für die kollegiale Arbeitsatmosphäre und die Unterstützung bei der Durchführung der Doktorarbeit. Besonders hervorheben möchte ich dabei Herrn Hans Bührer und Herrn Piotr Reichel-Lesnianski, die mir mit herausragendem Einsatz bei Fertigstellung und Inbetriebnahme der Versuchsstände zur Seite standen. Meinen Assistentenkollegen danke ich für die fachlichen Diskussionen, aber besonders für das freundschaftliche Verhältnis und die vielen gemeinsamen privaten Aktivitäten. Mein besonderer Dank gilt dabei besonders Herrn Stefan Blendinger für die hervorragende Zusammenarbeit auf dem Thema der oszillierenden Verdrängerpumpen, die gemeinsamen Erlebnisse und die überaus fruchtbaren Diskussionen! Darüberhinaus haben Indumahti Paramasivan, Ifthikar Muhammad, Thomas Billmann, Irene Kandlbinder, Andreas Ismeier und Martin Reithinger durch ihre Studien- und Diplomarbeiten zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Herzlichen Dank auch an meine Familie, die mich stets bestärkt und unterstützt hat und mir dadurch diesen Weg ermöglicht hat. Ganz besonders danke ich dabei meiner Frau Marion für ihre Geduld und ihr Verständnis gerade in der letzten Phase meiner Promotionszeit, in der sie mich immer bestärkt hat und dadurch immer wieder aufs Neue motiviert hat.

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9 i Inhalt Seite 1 Einleitung Die oszillierende Verdrängerpumpe Wirkprinzip Merkmale und Einsatzbereiche Aufbau und Baugruppen Pumpenantriebe Pumpenköpfe Verdränger und Verdrängersysteme Ventile Förderverhalten Kinematik der Verdrängerbewegung Arbeitszyklus und Verdrängungsfunktion Kinematik der Ventilbewegung Förderleistung und volumetrischer Wirkungsgrad Einfluss des volumetrischen Wirkungsgrades auf das Förder-verhalten Förderverhalten von Mehrzylinderpumpen Auswirkung des Förderverhaltens auf Rohrleitungen Grundgleichungen instationärer Flüssigkeitsströmungen Ausbreitung von Druckwellen Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in Flüssigkeiten Wellenreflexion Analytische Ansätze zur Berechnung der Druckpulsation Druckstöße Druckschwingungen Schwingungszustände in Rohrleitungen Dämpfung von Druckpulsationen 30 3 Grundlagen von Kavitation Definition Klassifizierung von Kavitation Kavitationsarten Pseudokavitation Gaskavitation Dampfkavitation Überlagerung der Kavitationsarten Kavitationsformen Kavitationsbeginn Kavitationskeime Druckverhältnisse bei Kavitation 38

10 ii 3.4 Blasendynamik von Dampfkavitation Einzelblasendampfkavitation im freien Fluid Mechanismus Modellierung Einflussfaktoren Einzelblasendampfkavitation in der Nähe fester Oberflächen Vorgänge während der Kollapsphase in Wandnähe Einfluss des Wandabstandes auf die Blasendynamik Einfluss des Wandabstandes auf die Oberflächenschädigung Auswirkungen von Kavitation auf Pumpen Kavitationserosion Druckstöße 59 4 Stand der Kavitationsforschung für oszillierende Verdrängerpumpen Dampfkavitationszustände Kavitationskriterien für oszillierende Verdrängerpumpen NPSH - /NPIP - Werte als Auslegungsrichtlinie Bestimmung des NPSHA - Wertes Bestimmung des NPSHR - Wertes Schematische Darstellung von NPSHA und NPSHR API 674 als Auslegungsrichtlinie Bisherige Untersuchungen zu Kavitation in oszillierenden Verdrängerpumpen Experimentelle Untersuchungen Strömungsmechanisches Kavitationsmodell für oszillierende Verdrängerpumpen 74 5 Versuchseinrichtungen Versuchsstand Simplex - Plungerpumpe Versuchsanlage Konstruktive Ausführung des Pumpenkopfes Messtechnik Versuchsstand Triplex - Plungerpumpe Versuchsanlage Konstruktive Ausführung der Arbeitsräume Messtechnik 86 6 Analyse der Vorgänge während des Saughubes Unterschiedliche Phasen während des Saughubes Analyse des Ventilöffnungsvorgangs Modell für eine Massenstrombilanzierung des Arbeitsraumes Mechanismus des Ventilöffnungsvorgangs Analyse des kompletten Saughubes Analyse des saugseitigen Massenstromverlaufs Analyse des Druckverlaufs in der Saugleitung Vergleich der Messdaten mit analytischen NPSH - Verläufen Bewertung des NPSHR - Verlaufs Bewertung des NPSHA - Verlaufes 107

11 Inhalt iii 7 Kavitation in oszillierenden Verdrängerpumpen Haftkraftinduzierte Kavitation Fluiddynamische Vorgänge während des Kavitationszeitraumes Einfluss der Betriebsparameter auf die hydrodynamischen Vorgänge Einfluss des Saugdruckniveaus Einfluss der Hubfrequenz Störungs- und Schädigungspotential von haftkraftinduzierter Kavitation Vorübergehende Kavitation Fluiddynamische Vorgänge während des Kavitationszeitraumes Kavitationsbeginn Blasenbildung und -wachstum Blasenrückbildung und -kollaps Einfluss der Betriebsparameter auf die fluiddynamischen Vorgänge Einfluss auf den Kavitationsbeginn Einfluss auf Blasenbildung und -wachstum Einfluss auf Blasenrückbildung und kollaps Identifikation kritischer Betriebszustände Rückbildungsorte und wandnahe Implosionsanfälligkeit Störungs- und Schädigungspotential Teilkavitation Fluiddynamische Vorgänge bei unterschiedlichen Teilkavitationszuständen Beginnende Teilkavitation Fortgeschrittene Teilkavitation Ausgeprägte Teilkavitation Druckschwingungen und Druckstöße durch Teilkavitation Rückbildungsgeschwindigkeit bei Teilkavitation Rückbildungsorte und wandnahe Implosionsanfälligkeit Störungs- und Schädigungspotential Bewertung von beginnender/fortgeschrittener Teilkavitation Bewertung von ausgeprägter Teilkavitation Vollkavitation Kavitationsvorgang bei Vollkavitation Einfluss der Hubfrequenz auf Druckstöße bei Kavitationsrückbildung Störungs- und Schädigungspotential Maßnahmen zur Entwicklung eines ökonomischen Kavitationskriteriums Problematik der NPSH - Betrachtungen Problematik der API Skizzierung eines ökonomischen Kavitationskriteriums Notwendige weitere Forschungsmaßnahmen Zusammenfassung Abstract Literaturverzeichnis Symbolverzeichnis...209