Kavitationsdiagnose

Unter Kavitation versteht man die Verdampfung und schlagartige Kondensation von Flüssigkeiten. Sie tritt auf, wenn der Druck in einer Flüssigkeit unter den Dampfdruck fällt. Maßgeblich für die Kavitation ist außerdem der Anteil von gelöster Luft und die Anzahl kleiner Partikel, sogenannter „nuclei“, an denen die Bläschenbildung bei der Kavitation  beginnt. Je höher der Anteil bzw. die Anzahl, desto früher tritt Kavitation auf. Erreichen die Dampfbläschen Gebiete, in denen der Druck über dem Dampfdruck liegt, implodieren sie schlagartig. Hierbei entstehen Druckwellen, die in unmittelbarer Nähe zu Körperflächen eine Schädigung der Oberfläche zur Folge haben.

In Bild 1 ist schematisch eine Blasenimplosion  in der Nähe einer Wand  dargestellt. Hierbei bildet sich ein zur Oberfläche gerichteter Flüssigkeitsstrahl aus, der sogenannte „micro-jet“. Beim Aufprall auf die Oberfläche werden Werkstoffpartikel aus der Oberfläche herausgeschlagen und es entsteht ein kleiner Krater. Ist die Werkstoffoberfläche eine längere Zeit diesem Vorgang ausgesetzt, können je nach Intensität der Kavitation schwerwiegende Materialschäden entstehen.

In hydraulischen Turbinen tritt Kavitation je nach Turbinentyp, Design, und Betriebsart in unterschiedlicher Intensität auf. Sie verursacht Vibrationen und unerwünschte akustische Emissionen. Besonders in Betriebsbereichen jenseits des Betriebsoptimums können schwere Schäden durch Kavitation, sogenannte Kavitationserosion, entstehen.Rechts ist die durch Kavitationserosion geschädigte Schaufel einer Kaplanturbine abgebildet. Hier wurde versucht, durch Aufbringen einer widerstandsfähigeren Materialschicht, die Schädigung zu verzögern. In Bild 2 ist die durch Kavitationserosion geschädigte Schaufel einer Kaplanturbine abgebildet. Hier wurde versucht, durch Aufbringen einer widerstandsfähigeren Materialschicht, die Schädigung zu verzögern.

Es existieren verschiedene Methoden, Kavitation in hydraulischen Maschinen frühzeitig zu erkennen und somit die durch die Kavitation verursachten Schäden zu verringern. Sie lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen:

Bild 3 zeigt Kavitationsstrukturen an einem Einzelflügel im Kavitationskanal des IHS. In Bild 4 ist das Frequenzspektrum der gemessenen Druckschwankungen auf der Oberfläche des Einzelflügels in einem kavitationsfreiem (blau) und einem kavitierenden Betriebspunkt (rot) dargestellt.