Untersuchung von Kavitationszuständen Zusammenfassung Im Forschungsvorhaben wurden zunächst die derzeit gültigen Auslegungsrichtlinien und Normen zur Vermeidung von Kavitation in oszillierenden Verdrängerpumpen einer näheren Untersuchung unterzogen. Diese Analyse soll als Grundlage für die in einem weiteren Projektschritt geplanten Untersuchungen dienen. Prinzipiell lässt sich zusammenfassen, dass alle Richtlinien und Normen vorgeben, Kavitation im Allgemeinen zu vermeiden, wobei die NPSH - Berechnung ausschließlich Strömungsphänomene betrachtet und die expansionsinduzierte Kavitation im Arbeitsraum der Pumpe vernachlässigt wird. Die Neuauflage der API 674 3rd Edition ist kritisch zu betrachten, da sie nur noch einen Sicherheitsabstand von 10 % des minimalsten Druckes zum Dampfdruck fordert. Diese Regelung kann bei leichtsiedenden Flüssigkeiten und einer ungenügenden zeitlichen Auflösung des Druckverlaufes zu Fehlern in der Berechnung und damit zum Betrieb in Kavitation führen. Zur besseren optischen Zugänglichkeit wurde der Versuchspumpenkopfes umgebaut. Neben den sechs Schaugläsern auf den seitlichen Außenflächen wurde ein frontales Sichtfenster zur Draufsicht auf die Kolbenstirnfläche verbaut. Des Weiteren wurde ein kompletter Saugventilkäfig aus Acrylglas angefertigt, um im Saugventil entstehende Kavitationsblasen in der Strömung in den Arbeitsraum zu beobachten. Für die laseroptischen Untersuchungen zur Verifizierung des strömungsmechanischen Kavitationsmodells wurde in die Saugleitung ein zylindrisches Schaurohrglas eingebaut. Außerdem wurde ein kompletter Pumpenkopf aus Acrylglas angefertigt, um alle Kavitationserscheinungen mit Hochgeschwindigkeitskamerasystemen aufnehmen zu können. Die experimentelle Untersuchung des Kavitationsmodells erfordert die Kenntnis des Geschwindigkeitsverlauf während des Saughubes. Daher waren zeitlich hochaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen nötig, die durch konventionelle Durchflussmessgeräte nicht realisiert werden können. Zur Untersuchung des Geschwindigkeitsverlaufs in der Saugleitung konnte durch Einbau eines optischen Zugangs die Laser- 1
optische Messmethode Highspeed Particle Image Velocimetry (Highspeed PIV) eingesetzt werden. Durch Bildraten bis 3000 Hz konnten an der Versuchsanlage die Geschwindigkeitsverläufe bis zu Drehzahlen von ca. 300 min -1 aufgenommen werden. Schwierigkeiten bei der Erfassung der Geschwindigkeiten im Randbereich, infolge der Krümmung des verwendeten Glasrohrs, konnten durch Kalibrierung der Messergebnisse anhand der Hubkinematik im kavitationsfreien Betrieb ausgeglichen werden. Der Vergleich der Geschwindigkeitsverläufe mit den Druckverläufen im Arbeitsraum der Pumpe zeigt, dass das Kavitationsmodell vor allem für die Einstufung der Auswirkungen von ausgeprägter Teilkavitation verwendet werden kann. Bei ausgeprägter Teilkavitation zeigt sich eine deutliche Abweichung des Geschwindigkeitsverlaufs von der Hubkinematik und eine exakte zeitliche Übereinstimmung des Druckstoßes mit dem Geschwindigkeitssprung in der Saugleitung. Aufgrund der Ergebnisse bezüglich der Modellierung des Geschwindigkeitsverlaufs anhand des Kavitationsmodells hat sich gezeigt, dass eine Anwendung des Modells auf reale System nicht ohne weiteres möglich ist. Mangelnde Kenntnisse der Druckverlustbeiwerte bei instationären Strömungen erfordern bereits Abschätzungen, die eine exakte Modellierung erschweren. Da am Saugventil zusätzlich strömungsinduzierte Kavitation auftritt, ist eine Anpassung des Widerstandbeiwerts des Saugventils bisher nicht zu vermeiden. Die Notwendigkeit weiterer Anpassungen ist vermutlich den Abweichungen zu den idealen Modellbedingungen geschuldet. Wechselwirkungen zwischen Saug- und Druckhub, sowie eventuell zusätzliche Druckverluste aufgrund des geschlossenen Kreislaufs der Versuchsanlage, führen dazu, dass neben dem Widerstandsbeiwert des Saugventils mindestens ein weiterer Parameter (Saugdruck oder Saugleitungslänge) angepasst werden muss, um die gemessenen Geschwindigkeitsverläufe modellieren zu können. Die Bestimmung des Rückbildungszeitpunkts der Kavitation, gemäß den Modellvorstellungen, konnte für ausgeprägte Teilkavitation, bei Verwendung des angepassten Geschwindigkeitsverlaufs, erfolgreich durchgeführt werden. Der Rückbildungszeitpunkt kann daher durch Integration der Volumenströme (d. h. durch das in den 2
Arbeitsraum eingeströmten Flüssigkeitsvolumen), wie von Fritsch 1,2 postuliert, bestimmt werden. Ebenfalls in Übereinstimmung mit den Vorstellungen des Modells stehen die Ergebnisse der Druckstoßberechnungen nach Joukovsky bei ausgeprägter Teilkavitation. Abweichungen zwischen berechneten und gemessenen Werten von -14 % bis +10 % zeigen, dass bei Kenntnis des Geschwindigkeitsverlaufs die resultierenden Druckstöße in guter Näherung vorhergesagt werden können. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass sich durch das Kavitationsmodell vielversprechende Möglichkeiten ergeben, um zukünftig die Auslegung von Anlagen mit oszillierenden Verdrängerpumpen exakter zu gestalten. Die Ergebnisse zeigen zwar, dass die Anwendbarkeit des Modells auf ausgeprägte Teilkavitation beschränkt ist, die vernachlässigbar geringen Druckstöße bei weniger stark ausgeprägten Kavitationszuständen, weisen jedoch deutlich geringeres Schädigungspotential auf, so dass vor allem die Einstufung ausgeprägter Teilkavitation entscheidend ist. Durch die Ergebnisse konnte das strömungsmechanische Kavitationsmodell in weiten Teilen verifiziert werden, so dass weiter Untersuchungen angestrebt werden sollten. Da durch die hier verwendete Versuchsanlage nicht exakt die Modellbedingungen nachgestellt wurden, ist noch eine einmalige Verifizierung des Modells an einem exakten Nachbau der Modellanlage angebracht, um auch den Geschwindigkeitsverlauf ohne größere Anpassungen modellieren zu können. Als ein weiterer Schritt wäre anzustreben, die Übertragbarkeit des Modells auf reale Systeme zu analysieren. Wie gezeigt wurde, wirken sich Abweichungen von den Idealvorstellungen auf den Geschwindigkeitsverlauf aus, so dass die Vorhersage der Kavitationsauswirkungen beeinträchtigt wird. Grundsätzlich müssen außerdem weitere Forschungen bezüglich der Druckverlustbeiwerte bei instationären Strömungen durchgeführt werden. Im speziellen sind bessere Kenntnisse der Druckverlustbeiwerte von Saugventilen im instationären kavitationsbehafteten Betrieb von Nöten. 1 Fritsch, H., J. Schwarz, et al. (1996). "NPSH-Werte bei oszillierenden Verdrängerpumpen." Chemie- Technik 25(9): 42-48. 2 Fritsch, H. (1998). "Modellierung des Kavitationsgeschehen in oszillierenden Verdrängerpumpen." Industriepumpen und Kompressoren 2: 94-99. 3
Anhand der Auswertung der Hochgeschwindigkeitsfilme konnte gezeigt werden, dass sich die Theorie der Rayleigh-Plesset Gleichung für die Dynamik des Blasenzerfalls gut validieren lässt. Die Erstellung von Blasenwanderungskarten ermöglicht es das ganze Kavitationsgeschehen auf einen Blick erfassen zu können. Weiterführend können die Erkenntnisse aus diesen Analysen genutzt werden, einen weiteren Schritt in Richtung der Minimierung von Kavitationsschäden zu gehen. Um solche Blasenwanderungskarten noch detailgetreuer und im dreidimensionalen Raum zu bekommen ist eine simultane Aufnahme von der Front und der Seite notwendig. So kann das Bewegungsprofil einzelner Kavitationsblasen im dreidimensionalen Raum erfasst werden. Die Auswertung der Hochgeschwindigkeitskamerasequenzen gibt eindeutigen Rückschluss auf die Einflussfaktoren zum Kavitationsverhalten. So sollte die konstruktive Gestaltung des Pumpenarbeitsraumes bei zukünftigen Pumpenbaureihen überprüft werden. Das Schadvolumen beeinträchtigt nicht nur die volumetrische Förderleistung, sondern erhöht die Gefahr von Druckstößen, wenn die Pumpe in Teilkavitation betrieben wird. Bisherige Veröffentlichungen im Zusammenhang mit dem Vorhaben: Opitz, K, S.R. Engel, A.F. Koegler, A. Leipertz, E. Schlücker (2012) High-Speed Particle Image Velocimetry Measurements of Turbulent Pipe Flows for Verification of a Fluid-Dynamic Cavitation Model, Chemical Engineering & Technology 35 (11): 2035-2044 Opitz, K., S.R. Engel, A. Leipertz, E. Schlücker (2012) Verification of a fluid dynamic cavitation model for reciprocating positive displacement pumps, Pump Users International Forum, Düsseldorf (Vortrag) Opitz, K., O. Schade, E. Schlücker (2011) Cavitation in reciprocating positive displacement pumps, 4
Twenty-Seventh International Pump Users Symposium, Houston, Texas (Vortrag) Opitz, K., O. Schade, E. Schlücker (2011) Cavitation in reciprocating positive displacement pumps. Proceedings of the Twenty-Seventh International Pump Users Symposium, Houston, Texas (Paper) Opitz, K., E. Schlücker (2010) Detection of Cavitation Phenomena in Reciprocating Pumps using a High- Speed Camera, Chemical Engineering & Technology 33 (10): 1610-1614 Das der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.v. FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und Entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. 5