Der Laufradkiller ist überführt!

Forscher entschlüsseln Kavitationsphänomen

19.05.2016 Sie ist der Todfeind jedes Pumpenlaufrads: Kavitation. Und eigentlich meinte man bis vor Kurzem auch zu wissen, wie das Phänomen entsteht. Doch nun haben Forscher eine bisher unbekannte Entstehungsweise von Kavitationsblasen entdeckt – mit Hilfe einer Modellrechnung.

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Kavitation neu erklärt - Bild KIT

Eine Kavitationsblase entsteht im Schmiermittel zwischen ölanziehender (gelb) und ölabstoßender Fläche (schwarz). Als Puffer könnte sie Verschleiß reduzieren. Bilder: KIT

So haben Material- und Reibungswissenschaftler des KIT untersucht, wie ölabstoßende und ölanziehende Oberflächen auf einen vorbeiströmenden Ölfilm wirken. Je nach Viskosität des Öls bildet sich am Übergang eine Dampfblase. Diese Kavitation kann Material schädigen – sie kann aber auch einen positiven Effekt haben, in dem sie für Abstand zwischen Bauteilen sorgt und damit Schädigung vermeidet. Die Forscher interessierte insbesondere das Verhalten in nanometerbreiten Schmierspalten, einem kritischen Fall nah an der Grenzreibung, das heißt kurz vor dem direkten Kontakt zwischen Oberflächen. Dazu stellten sie ein mathematisches Modell auf, in welchem sie die Viskosität des Schmierstoffs und die Oberflächeneigenschaften der Wände variierten. „Wir waren sehr überrascht, dass in der Simulation dann am Übergang der Oberflächen – also der Grenze zwischen ölanziehend und ölabstoßend – Kavitation entsteht“, berichten Dr. Lars Pastewka und Prof. Peter Gumbsch vom Institut für Angewandte Materialien des KIT.

Schlagartige Implosion von Dampfblasen
Kavitation ist ein bekanntes und wegen seiner zerstörerischen Kraft gefürchtetes, physikalisches Phänomen. „Bisherige Kavitationsmodelle gehen von einer bestimmten Geometrie aus, die Kavitation hervorruft, wie zum Beispiel eine Engstelle in einer Pumpe oder eine Schiffsschraube, die hohe Strömungsgeschwindigkeiten verursacht“, erklärt Pastewka. Dabei gilt das physikalische Gesetz von Bernoulli, dass der statische Druck einer Flüssigkeit umso geringer ist, je schneller sie strömt. Fällt dabei der statische Druck unter den Verdampfungsdruck der Flüssigkeit, bilden sich Dampfblasen. Steigt der Druck wieder – zum Beispiel wenn die Flüssigkeit nach einer Engstelle in einer Pumpe wieder langsamer fließt – kondensiert der Dampf in den Blasen schlagartig und sie implodieren. Die dabei entstehenden Druck- und Temperaturspitzen führen zu Kavitationskratern und erodieren selbst gehärteten Stahl.
„Diese schlagartige Implosion der Dampfblasen passiert aber in den meisten geschmierten Tribosystemen nicht“, betont Dr. Daniele Savio, der mittlerweile am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik in Freiburg forscht. „Da der Fluidspalt zwischen aneinander reibenden Oberflächen in der Regel sehr dünn ist, können die Kavitationsblasen nicht stark wachsen und bleiben deswegen stabil. Die Kavitationsblase hat dann keine schädliche Wirkung und dient sogar als Puffer zwischen den Oberflächen, was Reibung und Verschleiß reduziert. Deswegen ist es wichtig, diesen positiven Effekt kontrolliert zu generieren“, erklärt er.

Auch chemisch wechselnde Oberflächen können zu Kavitationsblasen führen
In ihrem Simulationsmodell belegen Savio und seine Kollegen nun, dass auch chemisch wechselnde Oberflächen zu Kavitationsblasen führen können. Sie stellen in ihrer vor Kurzem erschienenen Publikation in Science Advances die Frage, ob Kavitation in Situationen, wo ein Schmierstoff zwischen zwei Oberflächen strömt, die Norm ist und nicht die Ausnahme. „Denn üblicherweise sind Oberflächen, wie sie in Motoren oder Zylindersystemen vorkommen, nie homogen – also nur ölanziehend oder ölabstoßend“, betont Savio. „Der von uns berechnete Effekt könnte daher überall in geschmierten Motoren und Pumpen entstehen, wo wechselnde Oberflächeneigenschaften aneinandergrenzen.“
Kavitation wurde bisher ausschließlich als geometrischer Effekt betrachtet, der durch Scherkräfte, Fließgeschwindigkeit und Druckunterschiede entsteht, beschreiben die Forscher die Situation. „Dass Kavitation auch an Übergängen von wechselnden Oberflächeneigenschaften entstehen kann, ist komplett neu“, hebt Pastewka hervor. Durch ein gezieltes Einstellen der Oberflächenchemie, so sind sich die Forscher sicher, könnte man die Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Schmierstoff erheblich verbessern. In den Modellsimulationen konnte man eine Verbesserung der Oberflächentrennung um 10 % beobachten.
„Zusätzliche 10 % Abstand erlauben beispielsweise in Gleitlagern höhere Normalkräfte und Lasttragfähigkeiten bei ansonsten gleichen Bedingungen“, überlegt Savio. In jedem Fall, da sind sich die Wissenschaftler einig, muss die Oberflächenchemie als Designelement im Maschinenbau nun neu bewertet werden.

Originalmeldung des KIT

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Über den Autor

Armin Scheuermann, Redaktion
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