Kavitation ist einer der aggressivsten stillen Feinde in Wasserkraftwerken. Wenn eine Turbine ausfällt, besteht der erste Schritt nicht darin, blind zu demontieren, sondern das Desaster zu digitalisieren. In diesem Fall werden die beschädigten Schaufeln mit einem GOM ATOS-System gescannt, um die exakte Topographie der Erosion zu erfassen. Das Ziel: festzustellen, ob der Fehler auf natürliche Ermüdung oder auf einen Betrieb außerhalb der Auslegungsparameter zurückzuführen ist.
Workflow: Von der Punktwolke zur CFD-Simulation 🔧
Der Prozess beginnt mit der Digitalisierung der Schaufeln mittels GOM ATOS, wodurch eine hochpräzise Punktwolke erzeugt wird, die jeden durch Kavitation verursachten Krater und jede Vertiefung widerspiegelt. Dieses reale Modell wird in SolidWorks importiert, um die beschädigte Geometrie zu rekonstruieren, und anschließend an Ansys Fluent übergeben. Dort wird eine CFD-Simulation durchgeführt, die die realen Strömungsbedingungen nachbildet. Die Ergebnisse zeigen Niederdruckzonen und das Kollabieren von Blasen, die exakt mit den gescannten Erosionsmustern übereinstimmen. Die Überraschung kommt beim Vergleich des ursprünglichen CAD-Modells mit dem Scan mittels CloudCompare: Die geometrischen Abweichungen deuten darauf hin, dass die Turbine mit einem deutlich höheren Durchfluss und einer höheren Geschwindigkeit als spezifiziert betrieben wurde, was zu schwerer Kavitation an den Eintrittskanten führte.
Lehren für die Materialermüdungssimulation ⚙️
Dieser Fall zeigt, dass die Ermüdungssimulation nicht allein auf idealen Modellen basieren kann. Die Kombination aus 3D-Scan realer Schäden und CFD ermöglicht es, Fehlerhypothesen mit konkreten Daten zu validieren. Für Simulationsingenieure ist die Botschaft klar: Wenn Ihr Modell nicht die Geometrie nach dem Schaden widerspiegelt, werden Ihre Lebensdauervorhersagen unrealistisch sein. CloudCompare fungiert als letzter Richter und zeigt, wo und wie stark der tatsächliche Betrieb vom theoretischen Design abgewichen ist. Kavitation ist nicht nur ein hydraulisches Problem; sie ist ein Ermüdungsurteil, das in die Materialoberfläche eingeschrieben ist.
Ist es möglich, die in einem 3D-Scan einer Schaufel erkannten Erosionszonen durch Kavitation quantitativ mit den aus der CFD gewonnenen Druck- und Strömungskarten zu korrelieren, um die verbleibende Nutzungsdauer der Komponente vorherzusagen?
(PS: Materialermüdung ist wie deine eigene nach 10 Stunden Simulation.)