Betrieb und Unterhalt / Exploitation et maintenance
Erosion durch Kavitation Auf Reaktionsturbinen beschränkt? Auch für Pelton!
Ein erster Blick auf ein Phänomen, das den Betreibern von Kaplan- oder Francis-Turbinen leider oft wohlbekannt ist: die Kavitationserosion. Wir müssen jedoch feststellen, dass dies nicht nur bei Reaktionsturbinen der Fall ist. Auch Pelton-Turbinen sind davon betroffen. Was sind die Schlüssel, um dieses Phänomen zu verstehen und die drohenden Schäden durch Materialverlust zu bewerten? Was sind die jeweiligen Verantwortlichkeiten des Turbinenbauers und des Betreibers? Und vor allem: Wie lässt sich das Problem beheben oder gar vermeiden? Ein thermodynamisches Phänomen Kavitation ist ein thermodynamisches Phänomen, das sich aus dem Übergang von Wasser vom flüssigen in den dampfförmigen Zustand ergibt, und zwar nicht wie beim Sieden durch eine Erhöhung der Temperatur bei (mehr oder weniger) konstantem Druck, sondern durch eine Verringerung des Drucks bei (mehr oder weniger) konstanter Temperatur. Einfach ausgedrückt: Kavitation tritt bei Druckschwankungen um diese Kurve auf, die als Sättigungsdampfdruck oder Dampfdruck bezeichnet wird und die flüssige von der Dampfphase trennt.
Sowohl bei Reaktions- als auch bei Aktionsturbinen definiert die Norm IEC 60609 Kavitation als «Dampfblasen, die sich bilden, wenn das lokale Druckniveau auf einen Wert um den Dampfdruck herum absinkt, und die sich wieder auflösen, wenn das lokale Druckniveau wieder über den Dampfdruck ansteigt.» Und in gewissen Fällen kann die Implosion dieser Blasen die benetzten Teile durch Materialabtrag beschädigen. Kavitations- oder Abrasionserosion? Erosion durch Kavitation ist zu unterscheiden vom Abrieb durch Partikel, die in der Strömung transportiert werden, z.B. Sand. Der Abrieb ist je nach Menge der Feststoffe, ihrer mineralischen Zusammensetzung, Grösse und Form, der Intensität des Aufpralls (Geschwindigkeit, Einfallswinkel), der Qualität des erodierten Materials und den Betriebsbedingungen der Maschine unterschiedlich stark ausgeprägt. Durch die Veränderung des Laufrad-Profils kann Abrieb auch zu Kavitationserosion führen. Beide Phänomene können sich sogar selbst verstärken. Das Auftreten, die Lokalisierung und die Schadensmechanismen der beiden Phänomene sind jedoch in der Regel unterschiedlich. Wo können Kavitationserosionsgebiete liegen? An der Schaufel einer Kaplan- oder Diagonalturbine kann man die Bildung von Kavitationsblasen beobachten, die meist unterhalb der Anströmkante in der Nähe der Nabe auftreten . Es kann aber auch zu Kavitation am Laufrad-Mantel (Randkavitation) und sogar an der Blattverstellung kommen.
Drei Arten von Kavitation an einem Kaplan-Laufrad, die auf
9
Das Phasendiagramm von Wasser mit den verschiedenen
einem Teststand beobachtet wurden: unter der Anströmkante ,
Phasen (Aggregatzuständen)
entlang des Laufrad-Mantels (Randkavitation) und an der
Hauptquelle der Illustrationen: Mhylab
Blattverstellung .
