Kavitation und NPSH bei KreiselpumpenDer Schaden entsteht am Eintritt,lange bevor man ihn hört.
Es gibt ein Geräusch, das jeder Pumpenbetreiber kennt: Die Pumpe klingt plötzlich, als würde sie Kies fördern. Bis man es hört, ist am Laufrad meist schon Substanz verloren. Dieses Blatt hält fest, wo Kavitation entsteht, welche Kennzahl sie beschreibt und warum genau diese Kennzahl den Beginn des Schadens nicht trifft.
- Der Schaden entsteht am Laufradeintritt, nicht am Austritt
- Maßgeblich ist der Abstand zum Dampfdruck, nicht der Förderdruck
- NPSH3 markiert 3 % Förderhöhenabfall, der Schaden beginnt früher
- Die größten Stellhebel liegen in der Anlage, nicht in der Pumpe
Aus der Reihe A, Strömungsmaschinen. Verwandt: Insight 04 · Sicherheitszuschlag und Bestpunkt, weil eine überdimensionierte Pumpe dauerhaft dort läuft, wo Kavitation beginnt.
Dampfblasen entstehen dort, wo der Druck am niedrigsten ist.
Fällt der statische Druck im Fördermedium unter dessen Dampfdruck bei Betriebstemperatur, bilden sich Dampfblasen. Das geschieht nicht irgendwo, sondern an der Stelle mit dem niedrigsten Druck im gesamten Strömungsweg: kurz hinter der Eintrittskante der Laufradschaufel, wo das Medium beschleunigt und umgelenkt wird. Strömt es weiter in den Schaufelkanal, steigt der Druck wieder an, und die Blasen fallen schlagartig in sich zusammen.
Diese Implosionen laufen in Wandnähe nicht kugelsymmetrisch ab. Es bildet sich ein Mikrostrahl, der mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche trifft. Millionenfach wiederholt trägt er Material ab: zuerst als matte Zone, dann als schwammartige Struktur, am Ende als Durchbruch. Der Wirkungsgrad sinkt lange vorher, weil ein Teil des Schaufelkanals mit Dampf statt mit Flüssigkeit arbeitet.
Der tiefste Punkt liegt hinter der Eintrittskante.
Aufgetragen ist der statische Druck entlang des Strömungswegs, vom Saugbehälter bis zum Druckstutzen. Der Abstand zwischen dem Druck am Saugstutzen und dem Dampfdruck ist das vorhandene NPSH der Anlage. Reicht er nicht bis unter den Tiefpunkt der Kurve, entsteht die Blasenzone.
Der Verlauf zeigt auch, warum die Saugseite so viel wichtiger ist als die Druckseite: Die gesamte Reserve gegen Kavitation entsteht vor der Pumpe. Was hinter ihr passiert, kann sie nicht mehr ausgleichen.
NPSH ist ein Abstand, kein Druck.
NPSH steht für Net Positive Suction Head und beschreibt, um wie viel Meter Förderhöhe der Druck am Saugstutzen über dem Dampfdruck des Mediums liegt. Die Größe existiert zweimal: als das, was die Anlage bereitstellt, und als das, was die Pumpe verlangt.
NPSHvorh = (pe − pD) / (ρ · g) + ve² / (2 · g)
- pe
- absoluter Druck am Saugstutzen
- pD
- Dampfdruck des Mediums bei Betriebstemperatur
- ρ
- Dichte des Mediums bei Betriebstemperatur
- g
- Fallbeschleunigung, 9,81 m/s²
- ve
- Strömungsgeschwindigkeit am Saugstutzen
Das erforderliche NPSH steht dagegen in der Kennlinie der Pumpe. Es hängt an der Geometrie des Laufradeintritts und wächst mit dem Förderstrom. Die Betriebsbedingung lautet damit:
NPSHvorh ≥ NPSHerf + Reserve
- Reserve
- Faustwerte: 0,5 m oder 10 bis 30 % von NPSHerf. Ein Anhaltspunkt, keine Zusage — siehe Abschnitt 04.
NPSH3 markiert nicht den Beginn, sondern das Ende der Ruhe.
Wenn im Datenblatt ein erforderliches NPSH steht, ist damit fast immer NPSH3 gemeint: derjenige NPSH-Wert, bei dem die Förderhöhe der Pumpe bereits um 3 Prozent eingebrochen ist. Nicht, weil das der sinnvolle Moment wäre, sondern weil er sich auf dem Prüfstand klar und reproduzierbar messen lässt.
Beginnende Kavitation liegt davor. Zwischen der ersten Blasenbildung und dem 3-Prozent-Abfall liegt je nach Laufradbauform ein erheblicher Bereich, in dem die Pumpe ihre Leistung noch hält und trotzdem schon Material verliert. Das Datenblatt sieht dann sauber aus. Nur beschreibt die Zahl den Punkt, an dem das Problem nicht mehr zu übersehen ist, nicht seinen Anfang.
Die wirksamsten Maßnahmen liegen vor der Pumpe.
Aufgeteilt danach, ob sie das vorhandene NPSH erhöhen oder das erforderliche senken. Die erste Spalte ist Anlagenbau, die zweite Pumpenauswahl — und die erste ist fast immer die günstigere.
Was der Anlagenplaner in der Hand hat
- Pumpe tiefer setzen oder Behälter höher, jeder Meter Zulaufhöhe zählt direkt
- Saugleitung kürzen, Querschnitt vergrößern, Krümmer und Armaturen reduzieren
- Medientemperatur senken, wo der Prozess es zulässt
- Behälterdruck anheben, sofern das Verfahren es erlaubt
- Saugsieb und Filter im Wartungsplan führen, Zusetzen kostet NPSH schleichend
Was die Auswahl hergibt
- Niedrigere Drehzahl, der wirksamste Hebel auf der Pumpenseite
- Doppelflutiges Laufrad, halbierter Förderstrom je Eintritt
- Inducer vor dem Laufrad, wo die Bauform es zulässt
- Größerer Eintrittsdurchmesser, mit Rückwirkung auf den Teillastbereich
- Betriebspunkt näher an den Bestpunkt legen, das erforderliche NPSH wächst mit dem Förderstrom
Eine bequeme Kennzahl ist nicht dasselbe wie eine ehrliche.
NPSH3 hat sich durchgesetzt, weil es messbar ist, nicht weil es richtig ist. Dasselbe Muster begegnet mir ständig außerhalb der Maschine: Organisationen steuern nach den Kennzahlen, die leicht zu erheben sind — Auslastung, Stückzahl, abgerechnete Stunden — und behandeln sie, als wären sie die Wahrheit.
- Was gemessen wird: Stunden auf dem Projekt, Termintreue, Auslastung der Konstruktion.
- Was nicht gemessen wird: Suchen, Nachfragen, Wiederherleiten von Entscheidungen, die es schon gab.
- Wo der Verlust entsteht: vor der Stelle, an der die Zahl entsteht.
- Wann er sichtbar wird: wenn er groß genug ist, um im Ergebnis zu erscheinen.
Wie groß dieser Anteil in einer Konstruktionsabteilung tatsächlich ist, steht in Prüfbericht 01: rund 450 Stunden Suche im Jahr bei zehn Konstrukteuren, gemessen an echten Projektdaten.
Was aus der Praxis regelmäßig gefragt wird.
Woran erkenne ich Kavitation, bevor ich sie höre?
Am Betriebspunkt und an der Temperatur, nicht am Geräusch. Der Abstand zwischen dem vorhandenen NPSH der Anlage und dem erforderlichen NPSH der Pumpe ist eine Rechnung, keine Beobachtung. Wer sie einmal für den heißesten Betriebsfall und den größten Förderstrom durchführt, weiß es, bevor die Pumpe es sagt. Ein zweiter Hinweis ist ein Wirkungsgrad, der über Monate leise nachlässt.
Was ist der Unterschied zwischen NPSHa und NPSHr?
NPSHa liefert die Anlage, NPSHr verlangt die Pumpe. NPSHa hängt an Behälterdruck, Zulaufhöhe, Saugleitung und Medientemperatur, also an Größen, die der Anlagenplaner setzt. NPSHr steht in der Pumpenkennlinie und wächst mit dem Förderstrom. Der Betrieb bleibt kavitationsarm, solange NPSHa mit Reserve über NPSHr liegt.
Reicht ein Sicherheitsabstand von 0,5 m zwischen NPSHa und NPSHr?
Als Faustwert wird häufig ein halber Meter oder ein Aufschlag von 13 bis 30 Prozent genannt. Das ist ein Anhaltspunkt, keine Zusage. NPSHr ist üblicherweise als NPSH3 definiert, also über einen bereits eingetretenen Förderhöhenabfall von 3 Prozent, und beginnende Kavitation liegt davor. Bei kaltem Wasser und ruhigem Betrieb reicht der Faustwert meist, bei heißen Medien, Anfahrvorgängen und wechselndem Förderstrom nicht.
Warum wird eine Pumpe im warmen Medium eher laut?
Weil der Dampfdruck mit der Temperatur steigt und damit das vorhandene NPSH sinkt. Wasser bei 20 °C entspricht rund 0,24 m Dampfdruckhöhe, bei 80 °C rund 4,97 m. Dieselbe Anlage verliert also rund 4,7 m NPSHa allein durch die höhere Temperatur, ohne dass sich an Leitung oder Aufstellung etwas geändert hätte.
Hilft eine größere Pumpe gegen Kavitation?
Meist nicht. Eine größere Pumpe braucht am selben Förderstrom nicht zwangsläufig weniger NPSH und läuft dann weit links von ihrem Bestpunkt, wo am Laufradeintritt Rückströmung entsteht. Wirksam sind die Anlagenseite über Zulaufhöhe, kürzere und weitere Saugleitung und niedrigere Temperatur sowie auf der Pumpenseite eine niedrigere Drehzahl, ein Inducer oder ein doppelflutiges Laufrad. Der Zusammenhang zwischen Überdimensionierung und Schaden steht auf Insight 04.
Woher der Zusammenhang stammt.
- [1] Wesche, W.: Radiale Kreiselpumpen. Springer/VDI, 2012, Kapitel 3.4. Entstehung der Kavitation durch Unterschreiten des Dampfdrucks am Laufradeintritt, Blasenkollaps und Materialabtrag, NPSH als Druckreserve am Eintritt.
- [2] Gülich, J. F.: Kreiselpumpen. Springer, Kapitel 6. Saugverhalten und Kavitation, NPSH3 als praktisches Kriterium über den Förderhöhenabfall von 3 Prozent, Abgrenzung zur beginnenden Kavitation.
- [3] Stoffwerte von Wasser, Dampfdruck und Dichte. Grundlage der Rechnung in Abschnitt 03: rund 0,023 bar bei 20 °C und rund 0,474 bar bei 80 °C, umgerechnet in Dampfdruckhöhe mit der jeweiligen Dichte.
- [4] Eigene Einordnung aus der Engineering-Praxis. Abschnitt 06 ist Übertragung, nicht Strömungsmechanik, und als solche gekennzeichnet.
Welche Zahl steuert bei Ihnen?
Dieses Blatt verkauft nichts. Wenn die Übertragung aber etwas getroffen hat: 30 Minuten, keine Präsentation. Wir schauen uns an, welcher Aufwand in Ihrer Entwicklung in keiner Kennzahl auftaucht.
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