Das Ablösen eines Schaufelblatts an einem Archimedischen Schrauben-Wasserkraftwerk legt ein kritisches Problem bei Niederdruckanlagen offen: die beschleunigte Ermüdung durch Kavitation und Sedimentabrasion. Um die Ursachen zu verstehen, wurde eine Reverse Engineering des Zentralwellenstrangs mittels 3D-Scan mit Artec Studio durchgeführt, wodurch eine hochpräzise Punktwolke erzeugt wurde. Dieses digitale Modell diente als Grundlage für eine CFD-Simulation in Flow-3D, die es ermöglichte, die Verschleißzonen mit den Strömungs- und Druckmustern zu korrelieren.
Digitale Rekonstruktion und multiphysikalische Simulation des Verschleißes 🛠️
Der Prozess begann mit der dreidimensionalen Erfassung der beschädigten Welle, wobei der Materialverlust und die Oberflächenrisse dokumentiert wurden. In Fusion 360 wurden die Scandaten mit dem ursprünglichen CAD-Design abgeglichen, um die plastische Verformung und die Tiefe der Grübchen zu messen. Die Simulation in Flow-3D modellierte die Zweiphasenströmung (Wasser und Dampf) um das verwundene Profil der Schraube und identifizierte Niederdruckbereiche, in denen sich Kavitationsblasen bilden. Durch die Überlagerung der Erosionskarten aus dem Scan mit den Zonen hoher turbulenter kinetischer Energie wurde bestätigt, dass das Kollabieren von Blasen nahe der Wellenoberfläche die Ermüdung durch wiederholte Mikroimpulse verursachte.
Lehren für die Lebensdauervorhersage in Wasserkraftgeneratoren 💡
Dieser Fall zeigt, dass die Kombination von 3D-Scan und CFD nicht nur zur Diagnose eines Versagens dient, sondern auch zur Vorhersage der verbleibenden Materialermüdung. Durch die Kalibrierung des Erosionsmodells mit den realen Abrasionsdaten können Ingenieure den Krümmungsradius der Schaufeln anpassen oder harte Beschichtungen in kritischen Bereichen auftragen. Die Methodik ermöglicht die Optimierung des Schraubendesigns zur Widerstandsfähigkeit gegen Kavitation und verlängert so deren Lebensdauer in Umgebungen mit hoher Sedimentbelastung.
Welche Korrelation bestand zwischen den vom CFD-Modell vorhergesagten Zonen des Blasenkollapses durch Kavitation und den im 3D-Scan der ausgefallenen Archimedischen Schraube beobachteten Bruchflächen?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)