Der Ausfall des Drehkranzes (Swivel) in einem solaren Turmkraftwerk löste ein massives Leck von geschmolzenem Salz bei 560°C aus. Die forensische Analyse, gestützt auf Scans von PolyWorks und Leica Cyclone, ergab eine lokalisierte plastische Verformung der Dichtung. Die Haupthypothese deutet auf eine Fehlausrichtung der Heliostaten hin, die einen asymmetrischen thermischen Gradienten an der Peripherie des Bauteils erzeugte und das Material zyklischen Differenzialdehnungen aussetzte, bis seine Streckgrenze überschritten wurde.
Modellierung in ANSYS: Vernetzung und asymmetrischer thermischer Gradient 🔥
Die reale Geometrie des Swivels, gewonnen aus der Punktwolke von Cyclone, wurde in ANSYS Mechanical importiert. Die hexaedrische Vernetzung wurde im Bereich der Dichtung und der Befestigungsringe verfeinert, mit einer Elementgröße von 0,5 mm, um die Krümmung des Kontakts zu erfassen. Es wurde eine nicht gleichmäßige thermische Randbedingung angelegt: ein Temperaturprofil, das sinusförmig von 560°C am heißen Punkt (Fokus des fehlausgerichteten Heliostaten) bis 480°C am kalten Punkt über einen Zyklus von 10 Minuten variiert. Die gekoppelte Strukturanalyse zeigte eine maximale radiale Verformung von 1,8 mm an der Dichtung, was 40% über dem Konstruktionsspiel von 1,2 mm liegt und zur Öffnung des Dichtungslabyrinths führte.
Lehren für die Ermüdungssimulation an kritischen Verbindungen ⚙️
Dieser Fall zeigt, dass die Materialermüdung in rotierenden Verbindungen nicht nur von der maximalen Temperatur abhängt, sondern von der Asymmetrie des Gradienten. Die Fehlausrichtung der Heliostaten, wenn auch gering, erzeugte eine zyklische thermische Differenz, die wie ein Hammer auf die Dichtung wirkte. Für zukünftige Konstruktionen wird empfohlen, im ANSYS-Modell eine Sensitivitätsanalyse für das Bestrahlungsprofil des Solarfeldes unter Verwendung von Daten einzelner Heliostaten durchzuführen und die Verformung mit regelmäßigen 3D-Scans zu validieren, um beginnenden Verschleiß zu erkennen.
Als Simulationsingenieur: Welche Parameter des asymmetrischen thermischen Gradienten hielten Sie für kritisch, um die Rissbildung im Drehkranz vor dem Salzaustritt bei 560°C zu modellieren?
(PS: Materialermüdung ist wie deine nach 10 Stunden Simulation.)