DREsden Sodium facility for DYNamo and thermohydraulic studies

Kurze Beschreibung

Innerhalb des Projektes DRESDYN (DREsden Sodium facility for DYNamo and thermohydraulic studies) wird am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf die Entstehung des Erdmagnetfeldes experimentell untersucht. Die Rotation und Präzession der Erde bewirken die Ausprägung spezieller Strömungen im flüssigen äußeren Erdkern, welche für die Magnetfeldentstehung entscheidend sind. Erstmals soll dieser Zusammenhang nun ohne äußere Führung des Fluides nachgewiesen werden. Die Professur für Dynamik und Mechanismentechnik ist innerhalb des Projektes für die betriebsfeste Auslegung der Versuchseinrichtung nach FKM-Richtlinie verantwortlich.

Die Anlage besteht aus einem Druckbehälter mit einem Innendurchmesser von zwei Metern und einer Länge von etwa viereinhalb Metern, welcher zum einen mit einer Frequenz von 10 Hz um seine Längsachse und zum anderen mit bis 1 Hz um eine zweite Achse rotiert. Der Behälter mit einem Eigengewicht von circa 23 Tonnen ist mit über acht Tonnen flüssigem Natrium gefüllt, da dieses hinsichtlich Dichte, Schmelztemperatur und elektrischer Leitfähigkeit geeignete Materialeigenschaften aufweist. Allerdings entzündet es sich beim Kontakt mit Luft, was besondere Sicherheitsmaßnahmen nach sich zieht. Aus diesem Grund muss ein Versagen im Betrieb von Vornherein ausgeschlossen werden.

Die Ermittlung der lokalen Beanspruchungen erfolgt mit der Finite-Elemente-Methode, wobei sämtliche auf die Struktur wirkenden mechanischen und thermischen Lasten Berücksichtigung finden. Infolge der Rotation um zwei nicht parallele Achsen entsteht neben den Fliehkräften ein gyroskopisches Moment von bis zu acht Millionen Nm. Des Weiteren führt die Bewegung des Fluides bei geringer Präzessionsfrequenz zunächst zu einer oszillierenden Druckverteilung auf die Behälterwand mit einem Druckmaximum von etwa 20 bar. Mit steigender Präzessionsfrequenz erfolgt der Umschlag zur turbulenten Strömung, was mit einer reibungsbedingten Erwärmung des Natriums einhergeht, wobei die maximale Wärmeleistung circa 650 kW beträgt. Angesichts der erhöhten Temperaturen von bis zu 250 °C müssen ebenfalls die thermomechanischen Beanspruchungen berücksichtigt werden, wobei die transiente Temperaturverteilung unter Einbeziehung von Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung berechnet wird. Außerdem sind die Gewichtskraft und die Unwuchten sowohl in axialer als auch in radialer Richtung von Bedeutung. Insgesamt resultieren daraus mehrere zehntausend Lastfälle.

Aktueller Stand

Es wurde ein Algorithmus zur Identifizierung der für den Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie relevanten Beanspruchungen entwickelt, wobei für jeden Knoten des Finite-Elemente Modells für den statischen Festigkeitsnachweis und den Ermüdungsfestigkeitsnachweis getrennt die kritischste Lastkombination ermittelt wird. Dies ermöglicht die Berechnung der sich ergebenen Auslastungsgrade für die gesamte Oberfläche innerhalb eines akzeptablen Zeitrahmens und somit die betriebsfeste Auslegung des Druckbehälters inklusive der Schweißnähte.

Veröffentlichungen

• Stephan Beisitzer, Michael Scheffler, Michael Beitelschmidt: Assessment of the static and fatigue strength of a precession driven dynamo under thermomechanical loads, PAMM 12/2014; 14(1)

Kontakt

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Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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Herr Dipl.-Ing. Stephan Rother

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