Kavitation bei hydraulischen Maschinen – Messung, numerische Simulation und Schadensbilder

Kavitation ist ein Mechanismus, der bei flüssigkeitsdurchströmten hydraulischen Maschinen – abhängig vom Druckniveau auf der Niederdruckseite – auftreten kann. Sie ist neben dem Wirkungsgradverlauf und der Schwingung das wichtigste Auslege- und Designkriterium von Turbinen. Unterschreitet der statische Druck der Strömung örtlich den Dampfdruck signifikant für eine gewisse Zeit und werden die sich bildenden Dampfblasen zu Zonen höheren Druckes mitgeschleppt, implodieren diese dort und geben Energie in Form von sich ausbildenden Mikrojets frei. Tritt Kavitation im Nahbereich von Bauteilen auf, können diese dadurch dauerhaft geschädigt werden. Gleichzeitig entsteht durch das Implodieren eine laute knallende/knatternde Geräuschkulisse. Die Entdeckung der Kavitation erfolgte bei Schiffsschrauben etwa um das Jahr 1890, als der Antrieb von Dampfmotoren auf Dampfturbinen umgestellt wurde. Im Bereich der Wasserkraft wurde man erst nachdem schon mehrere große Kaplan-Turbinen in Betrieb genommen worden waren darauf aufmerksam, als ein sehr eindringliches Betriebsgeräusch der Turbine festgestellt wurde und gleichzeitig der erwartete Wirkungsgrad ausblieb. Um das Jahr 1921 entdeckte Viktor Kaplan gemeinsam mit seinem Assistenten Slavik die Kavitation bei Wasserturbinen.
Ganz allgemein gibt es unterschiedliche Kavitationsformen, die sich z.T. wolkenförmig ausprägen oder in Form von Nebel auch stark miteinander interagieren. In Wandnähe verändert sich der eigentlich grundsätzlich symmetrische Blasenkollaps einseitig hin zu einem asymmetrischen Kollaps, wobei sich die Blase dabei zum Torus verändert und ihre Größe im kleiner werdend ändert. Das ausgebildete Dampfkonstrukt mit stark unterschiedlichen Geschwindigkeitsverteilungen gibt während dieses Implosion-Vorganges derart viel Energie schlagartig frei, dass sich hohe Temperaturen und Drücke ausbilden. Dieser Vorgang wird auch als aggressiver Einzelblasenkollaps bezeichnet, hat erosive Schäden des Materials zur Folge und bildet sich in der Regel nicht nur als Erstimplosion aus, sondern meist gefolgt von einem zweiten Implosionsvorgang. Kavitation tritt bei allen hydraulischen Maschinen auf und beschränkt sich nicht nur auf Überdruckturbinen wie Kaplan- oder Francis-Turbinen, sondern findet sich auch bei Turgo-, Pelton- oder Durchström-Maschinen. Es sind davon alle Maschinengrößen und zusätzlich auch noch Absperrorgane betroffen.
Im vorliegenden Beitrag werden anschauliche Beispiele für Schäden an hydraulischen Maschinen aller Art präsentiert. In vielen Fällen ist es nicht möglich und aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten auch nicht sinnvoll, Kavitation gänzlich zu vermeiden. Ziel ist es, ein Maß an zulässiger Kavitation zu definieren, welches den störungs- und schädigungsfreien Betrieb eines hydraulischen Systems gewährleistet. Sowohl der Punkt des Kavitationsbeginns als auch die Intensität hängen dennoch nicht nur vom statischen Druck und von allgemeinen Stoffwerten ab (Dichte, Dampfdruck), sondern auch von einer Reihe von anderer Fluideigenschaften, wie der Anzahl der Kavitationskeime oder der Turbulenzintensität ab. Für den Anwender sind das Verhalten von unterschiedlichen Maschinentypen und spezifische Schnellläufigkeiten für die konkrete Einbausituation von Interesse, während für den Hydraulikentwickler eine Methodik zur schnellen Beurteilung von CFD-Ergebnissen eine zentrale Fragestellung einnimmt. Quervergleiche zwischen einphasigen mit der Histogramm-Methode durchgeführten numerischen Berechnungen und mehrphasigen Berechnungen werden durchgeführt und diese dann Prüfstanduntersuchungen gegenübergestellt.