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 genaue Topographie der Erosion zu erfassen. Ziel: festzustellen, ob der Schaden 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 Krater und jede Vertiefung durch Kavitation 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 Blasenkollaps, die exakt mit den gescannten Erosionsmustern übereinstimmen. Die Überraschung kommt beim Vergleich des ursprünglichen CAD-Modells mit dem Scan mittels CloudCompare: Die geometrischen Unterschiede 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 Ermüdungssimulation von Materialien ⚙️
Dieser Fall zeigt, dass die Ermüdungssimulation nicht allein auf idealen Modellen basieren kann. Die Kombination aus 3D-Scan realer Schäden und CFD ermöglicht die Validierung von Schadenshypothesen mit konkreten Daten. 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 Kavitationserosionszonen quantitativ mit den aus der CFD gewonnenen Druck- und Strömungskarten zu korrelieren, um die verbleibende Lebensdauer der Komponente vorherzusagen?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)