Das Ablösen eines Schaufelblatts an einem Archimedischen Schrauben-Wasserkraftgenerator offenbart ein kritisches Problem bei Niedrigfallanlagen: die durch Kavitation und Sedimentabrasion beschleunigte Ermüdung. Um die Ursachen zu verstehen, wurde eine Reverse Engineering des Zentralwellen mittels 3D-Scanning 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 Schraubenprofil herum 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 zu Ermüdung durch wiederholte Mikroimpakte führte.
Lehren für die Lebensdauervorhersage bei 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 tatsächlichen Abrasionsdaten können Ingenieure den Krümmungsradius der Schaufeln ändern oder harte Beschichtungen auf 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 Kollapszonen der Kavitationsblasen und den im 3D-Scan der ausgefallenen Archimedischen Schraube beobachteten Bruchflächen?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)