Eine Pumpe läuft plötzlich laut, knattert oder vibriert, und die Fördermenge sinkt. Hinter diesen Anzeichen steckt häufig Kavitation. Die Ursache liegt fast nie in der Pumpe selbst, sondern auf der Saugseite der Anlage. Wer sie dort kennt, kann Kavitation schon bei der Auslegung vermeiden.
Dieser Ratgeber erklärt, wie Kavitation entsteht, warum auch Zahnradpumpen betroffen sein können und welche Richtwerte und Auslegungsregeln Linn-Pumpen für die Saugseite nennt.
Was bei Kavitation in der Pumpe passiert
Jede Flüssigkeit hat einen Dampfdruck. Fällt der Druck an einer Stelle unter diesen Wert, beginnt die Flüssigkeit dort zu verdampfen, obwohl sie nicht erhitzt wird. Es bilden sich kleine Dampfblasen. In einer Pumpe geschieht das dort, wo der Druck am niedrigsten ist, also am Eintritt auf der Saugseite.
Die Blasen wandern mit dem Medium in Bereiche mit höherem Druck. Dort kondensiert der Dampf schlagartig und die Blasen fallen in sich zusammen. Diese Implosionen erzeugen örtlich starke Druckstöße. Treten sie nahe an einer Oberfläche auf, tragen sie mit der Zeit Material ab. Gleichzeitig nehmen die Dampfblasen Raum ein, der eigentlich für das Fördermedium vorgesehen ist.
Davon zu unterscheiden ist Luft oder Gas im Medium. Gelöste Gase können bei sinkendem Druck ausgasen, undichte Saugleitungen ziehen Luft an. Die Folgen ähneln sich, die Abhilfe beginnt in beiden Fällen auf der Saugseite.
Warum auch Zahnradpumpen betroffen sein können
Kavitation wird oft mit Kreiselpumpen verbunden. Bei ihnen beschreibt der NPSH-Wert, wie viel Druck am Eintritt mindestens anliegen muss. Damit keine Kavitation entsteht, muss der in der Anlage verfügbare NPSH-Wert über dem erforderlichen Wert der Pumpe liegen. Mehr zu diesem Programm finden Sie auf der Seite Kreiselpumpen.
Eine Zahnradpumpe arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Zwei Zahnräder kämmen im Gehäuse und fördern das Medium in den Zahnlücken von der Saugseite zur Druckseite. Auf der Saugseite öffnen sich die Zahnlücken und müssen sich in kurzer Zeit vollständig füllen. Wie das Förderprinzip im Detail funktioniert, erklärt der Beitrag Was ist eine Zahnradpumpe.
Strömt das Medium nicht schnell genug nach, füllen sich die Zahnlücken nur teilweise und es entsteht Unterdruck. Das passiert, wenn die Saugleitung zu viel Widerstand hat, ein Vorfilter zu klein oder verschmutzt ist, die Ansaughöhe zu groß ist oder das Medium für die gewählte Drehzahl zu zähflüssig ist. Fällt der Druck dabei unter den Dampfdruck des Mediums, kommt es zu Kavitation. Die Zahnradpumpe ist zwar selbstansaugend, das bedeutet aber keine unbegrenzte Ansaughöhe und keine Freigabe für Trockenlauf.
Unvollständige Füllung ist nicht gleich Kavitation
Beide Effekte hängen zusammen, sind aber nicht dasselbe. Bei einer unvollständigen Füllung gelangt zu wenig Medium in die Zahnlücken. Die Pumpe fördert dann weniger, als ihre Drehzahl erwarten lässt. Kavitation liegt erst vor, wenn der Druck unter den Dampfdruck des Mediums fällt, sich Dampfblasen bilden und diese im Bereich mit höherem Druck schlagartig zusammenfallen.
Eine Pumpe kann also unvollständig gefüllt sein, ohne zu kavitieren, zum Beispiel wenn sie über eine undichte Saugleitung Luft ansaugt oder gelöste Gase ausgasen. Für die Abhilfe ist die Unterscheidung wichtig. Gegen Kavitation hilft ein höherer Druck am Pumpeneintritt, gegen angesaugte Luft eine dichte Saugleitung.
Typische Anzeichen von Kavitation
Am deutlichsten ist das Geräusch. Eine kavitierende Pumpe klingt rau, knatternd oder prasselnd, als würde sie Kies fördern. Dazu kommen oft Vibrationen und ein unruhiger Lauf. Der Förderstrom sinkt, weil ein Teil des Fördervolumens mit Dampf statt mit Medium gefüllt ist, und der Druck auf der Druckseite kann schwanken.
Hält der Zustand länger an, zeigen sich Schäden. Typisch sind narbige, ausgewaschene Stellen an Zahnflanken, Gehäuse oder Deckel. Lager und Wellendichtung werden durch die Vibrationen zusätzlich belastet. Treten solche Anzeichen auf, lohnt sich zuerst ein Blick auf die Saugseite und auf die Betriebsdaten, bevor Teile getauscht werden.
Die häufigsten Ursachen liegen auf der Saugseite
Die Pumpe kann nur so viel Medium fördern, wie auf der Saugseite nachströmt. Jeder Widerstand vor dem Pumpeneintritt senkt den Druck dort weiter ab. Dazu gehören lange oder zu enge Saugleitungen, viele Bögen, Armaturen und zu kleine oder verschmutzte Vorfilter. Liegt der Behälter unter der Pumpe, kommt die Ansaughöhe hinzu.
Für die Getriebemotor-Ausführung G und die Zahnradpumpe mit Magnetkupplung FOM MG nennt Linn-Pumpen einen zulässigen minimalen Eintrittsdruck an der Saugseite von ca. 0,6 bar absolut. Daraus ergibt sich für diese beiden Ausführungen ein Richtwert von ca. 4 m Wassersäule für die Ansaughöhe. Das ist keine allgemeine Grenze für alle Zahnradpumpen. Andere Baureihen, Medien und Betriebsbedingungen können zu anderen Werten führen. Die Widerstände der Saugleitung zählen dabei mit. Je mehr Druck in der Leitung verloren geht, desto weniger Ansaughöhe bleibt übrig.
Auch die Strömungsgeschwindigkeit spielt eine Rolle. Die Leistungstabellen im Datenblatt der Zahnrad-Flanschpumpe F gelten für eine Ölgeschwindigkeit von maximal 1,5 m/s auf der Saugseite und maximal 4,5 m/s auf der Druckseite. Die Saugleitung ist deshalb meist größer dimensioniert als die Druckleitung.
Hinzu kommen die Eigenschaften des Mediums. Mit steigender Temperatur steigt der Dampfdruck, die Flüssigkeit verdampft also schon bei höherem Druck. Leicht flüchtige Medien wie Lösungsmittel sind besonders empfindlich. Linn-Pumpen weist auf der Seite Lösungsmittel ausdrücklich darauf hin, Dampf- und Gasanteile zu vermeiden. Bei zähflüssigen Medien wiederum steigt der Widerstand in der Saugleitung, und die Zahnlücken brauchen mehr Zeit zum Füllen.
Drehzahl und Viskosität richtig abstimmen
Bei einer Zahnradpumpe ist die Drehzahl ein wichtiger Hebel gegen eine unvollständige Füllung, aber nicht immer der wichtigste. Auch ein zu kleiner oder verschmutzter Vorfilter kann den Druck am Pumpeneintritt so weit absenken, dass Kavitation begünstigt wird. Je zähflüssiger das Medium ist, desto langsamer muss die Pumpe laufen, damit das Medium die Zahnlücken rechtzeitig füllt. Linn-Pumpen nennt dafür Richtwerte. Mit einem vierpoligen Motor bei etwa 1.450 min⁻¹ bis ca. 350 mm²/s, mit einem sechspoligen Motor bei etwa 950 min⁻¹ bis ca. 1.500 mm²/s und mit einem achtpoligen Motor bei etwa 700 min⁻¹ bis ca. 2.500 mm²/s. Bei den kleineren Baugrößen F1 und F2 liegt der Richtwert bei 1.450 min⁻¹ bei bis zu 250 mm²/s.
Bei der Auslegung zählt die höchste Viskosität, die im Betrieb auftritt. Das ist oft der Kaltstart, wenn ein Öl noch nicht auf Betriebstemperatur ist. Wie Viskosität und Temperatur bei Ölen zusammenhängen, zeigt der Beitrag Zahnradpumpe für Öl.
Für hochviskose, schmierende Medien bis 20.000 mm²/s gibt es die Getriebemotor-Ausführung G mit Stirnrad-Getriebemotor und niedrigen Pumpendrehzahlen. Für sie empfiehlt Linn-Pumpen bei hoher Viskosität einen Zulaufbetrieb und eine kurze, groß dimensionierte und strömungsgünstige Saugleitung. Auch die separate Baureihe LZ und LZGM ist für zähflüssige Medien gedacht. Ihre niedrigen Drehzahlen reduzieren laut Linn-Pumpen Scherung, Erwärmung und Kavitationstendenz.
Ändern sich Viskosität oder Fördermenge im Betrieb, passen Sie die Pumpe über die Drehzahl an, zum Beispiel mit einem Frequenzumrichter. Die Ausführung i bringt ihn bereits integriert am Motor mit. Ein Frequenzumrichter erhöht allerdings keine Grenzwerte der Pumpe. Er hilft nur, im zulässigen Bereich zu bleiben.
Symptome, mögliche Ursachen und Prüfschritte
Die folgende Übersicht hilft bei der ersten Eingrenzung. Sie ersetzt keine Prüfung der Anlage, zeigt aber, wo Sie zuerst ansetzen sollten.
| Symptom | Mögliche Ursache | Prüfschritt |
|---|---|---|
| Raues, knatterndes oder prasselndes Geräusch, Vibrationen | Druck am Pumpeneintritt fällt unter den Dampfdruck, die Pumpe kavitiert | Saugseite prüfen: Ansaughöhe, Länge und Nennweite der Saugleitung, Bögen, Armaturen und Vorfilter |
| Fördermenge geringer als erwartet | Unvollständige Füllung der Zahnlücken, Drehzahl zu hoch für die Viskosität | Viskosität bei Betriebstemperatur und beim Kaltstart mit den Drehzahl-Richtwerten vergleichen |
| Fördermenge sinkt mit der Zeit | Vorfilter zu klein oder zunehmend verschmutzt | Vorfilter auf Größe und Verschmutzung prüfen und reinigen |
| Unruhiger Lauf, schwankender Druck auf der Druckseite | Luft wird über eine undichte Saugleitung angesaugt oder gelöste Gase gasen aus | Saugleitung auf Dichtheit prüfen |
| Probleme vor allem beim Kaltstart | Höchste Viskosität, solange das Medium kalt ist | Drehzahl und Saugleitung auf die Viskosität beim Kaltstart auslegen, Zulaufbetrieb prüfen |
| Probleme bei höherer Temperatur oder mit Lösungsmitteln | Höherer Dampfdruck, das Medium verdampft schon bei höherem Druck | Medientemperatur und Dampfdruck prüfen, Druck am Pumpeneintritt erhöhen, zum Beispiel durch Zulaufbetrieb |
| Pumpe fördert nach der Inbetriebnahme nicht | Pumpe nicht mit Medium gefüllt, Ansaughöhe zu groß | Pumpe vor der Inbetriebnahme mit Medium füllen, Trockenlauf vermeiden, Ansaughöhe prüfen |
| Narbige, ausgewaschene Stellen an Zahnflanken, Gehäuse oder Deckel | Länger anhaltende Kavitation | Ursache auf der Saugseite beheben, bevor Teile getauscht werden |
So vermeiden Sie Kavitation in der Anlage
Die meisten Maßnahmen lassen sich schon bei der Planung umsetzen und kosten dann wenig. Nachträglich sind sie oft aufwendiger.
- Behälter wenn möglich über der Pumpe anordnen, damit das Medium zuläuft. Bei hoher Viskosität ist Zulaufbetrieb die Regel.
- Saugleitung kurz, ausreichend groß und strömungsgünstig führen, mit wenigen Bögen und Armaturen.
- Saugleitung dicht ausführen, damit keine Luft angesaugt wird.
- Vorfilter vorsehen und ausreichend groß auslegen, die Maschenweite nach Medium und Verschmutzung wählen und den Filter regelmäßig kontrollieren und reinigen.
- Drehzahl passend zur höchsten auftretenden Viskosität wählen.
- Pumpe vor der Inbetriebnahme mit Medium füllen. Trockenlauf ist unzulässig.
Auf der Druckseite gehört zusätzlich eine Druckbegrenzung in die Anlage, denn eine Zahnradpumpe fördert auch gegen einen geschlossenen Ausgang weiter. Passende Lösungen finden Sie auf der Seite Ventile. Wie eine Ölversorgung mit Vorfilter und Bypassventil aufgebaut sein kann, zeigt die Seite Schmierkreislauf.
Zahnradpumpen in der Praxis richtig auslegen
Bei der Auslegung einer Zahnradpumpe zählen nicht nur Fördermenge und Druck. Damit die Pumpe ohne Kavitation läuft, gehört die Saugseite von Anfang an dazu. In der Praxis hat sich dieses Vorgehen bewährt.
- Vom ungünstigsten Betriebsfall ausgehen. Das ist meist die höchste Viskosität beim Kaltstart, bei flüchtigen Medien dagegen die höchste Medientemperatur.
- Die Saugseite durchrechnen: Ansaughöhe oder Zulauf sowie die Verluste in Saugleitung, Bögen, Armaturen und Vorfilter. Der Druck am Pumpeneintritt muss über dem minimalen Eintrittsdruck der gewählten Ausführung bleiben und mit Abstand über dem Dampfdruck des Mediums liegen.
- Den Vorfilter ausreichend groß wählen und seinen Druckverlust auch im verschmutzten Zustand berücksichtigen, nicht nur im sauberen.
- Die Saugleitung nach der Strömungsgeschwindigkeit dimensionieren. Die Leistungstabellen der Zahnrad-Flanschpumpe F gelten für maximal 1,5 m/s auf der Saugseite.
- Drehzahl und Baugröße gemeinsam festlegen. Erlaubt die Viskosität nur eine niedrige Drehzahl, wird die gewünschte Fördermenge über die Baugröße erreicht, nicht über eine höhere Drehzahl.
- Bei hoher Viskosität Zulaufbetrieb einplanen.
- Einen Frequenzumrichter nutzen, um im zulässigen Bereich zu bleiben. Grenzwerte der Pumpe verschiebt er nicht.
Diese Daten brauchen wir für die Auslegung
Ob Kavitation droht, lässt sich mit wenigen Angaben zur Saugseite und zum Medium gut abschätzen. Halten Sie möglichst die folgenden Daten bereit.
- Medium, am besten mit Sicherheitsdatenblatt
- Viskosität bei Betriebstemperatur und beim Kaltstart
- minimale und maximale Medientemperatur
- gewünschte Fördermenge in l/min und Druck auf der Druckseite
- Aufstellung der Pumpe, also Zulauf oder Ansaughöhe
- Länge und Nennweite der Saugleitung sowie Filter und Armaturen darin
Sie kennen nicht alle Werte? Tragen Sie ein, was bekannt ist. Fehlende Punkte klären wir gemeinsam mit Ihnen.
Pumpenauslegung anfragen
Senden Sie uns Ihre Betriebsdaten über das Formular Pumpenauslegung anfragen oder rufen Sie uns an unter 02355 9029-29. Wir prüfen Saugseite, Medium und Drehzahl und melden uns mit einem technisch begründeten Vorschlag.
Häufige Fragen zur Kavitation bei Pumpen
Was ist Kavitation bei einer Pumpe?
Kavitation ist die Bildung von Dampfblasen, wenn der Druck im Medium unter den Dampfdruck fällt. Die Blasen fallen in Bereichen mit höherem Druck schlagartig in sich zusammen. Das verursacht Geräusche, Vibrationen, Leistungsverlust und auf Dauer Materialabtrag.
Woran erkenne ich, dass meine Pumpe kavitiert?
Typisch sind ein knatterndes oder prasselndes Geräusch, Vibrationen, ein sinkender Förderstrom und ein schwankender Druck. Bei längerer Kavitation zeigen sich narbige Stellen an Zahnflanken oder Gehäuse.
Kann eine Zahnradpumpe kavitieren?
Ja. Füllen sich die Zahnlücken auf der Saugseite nicht vollständig, entsteht Unterdruck. Fällt der Druck dabei unter den Dampfdruck des Mediums, kavitiert die Pumpe. Häufige Gründe sind eine zu große Ansaughöhe, eine ungünstige Saugleitung, ein zu kleiner oder verschmutzter Vorfilter oder eine zu hohe Drehzahl für die Viskosität des Mediums. Nicht jede unvollständige Füllung ist aber Kavitation, auch angesaugte Luft kann die Ursache sein.
Wie hoch darf eine Zahnradpumpe ansaugen?
Das hängt von Ausführung, Medium und Saugleitung ab, eine allgemeine Grenze für alle Zahnradpumpen gibt es nicht. Für die Ausführungen G und FOM MG nennt Linn-Pumpen einen minimalen Eintrittsdruck von ca. 0,6 bar absolut, das entspricht einem Richtwert von ca. 4 m Wassersäule. Die Verluste in der Saugleitung sind davon abzuziehen.
