VGB POWERTECH 7 (2020) - International Journal for Generation and Storage of Electricity and Heat

A journey through 100 years VGB | Hydropower | VGB POWERTECH · Heft 4 (2002)
Entwicklungspotentiale in der Wasserkraft
Bild 7. Numerisches Modell
für das vorhandene Saugrohr.
lage die aktuelle Geometrie ausgemessen. Auf
der Basis dieser aktuellen Daten wurde dann
ein numerisches Modell erstellt (Bild 7).
Insbesondere wegen des sehr kurzen Enddiffusors
und dessen starker Flächenerweiterung
wurde zunächst ein schlechter Saugrohrwirkungsgrad
prognostiziert und ein beträchtliches
Verbesserungspotential erwartet.
Die Strömungssimulation zeigte aber ein
überraschendes Ergebnis [7]. Schon im
ersten Teil des Krümmers, wo die Strömung
noch nicht ablöst, sind bereits fast 80 % der
kinetischen Energie rekuperiert, so dass der
Enddiffusor keine entscheidende Rolle mehr
spielt. Die Simulation einer möglichen Saugrohrvariante
bestätigte, dass höchstens eine
Steigerung des Anlagenwirkungsgrades von
1% möglich gewesen wäre.
Bei der Bewertung von Wirkungsgrad- bzw.
Leistungsgewinn und dem Vergleich mit den
Zusatzkosten durch die Saugrohränderung
stellte sich heraus, dass die Baukosten bei
weitem nicht gerechtfertigt waren. Darüber
hinaus wäre eine Modifikation des existierenden
Saugrohres mit einem gewissen Risiko
verbunden gewesen, weil keine detaillierte
Bild 8. Automatisch erstellte Rechennetze
im Leit- und Laufradbereich.
Information über den Zustand der Gebäudestruktur
vorhanden war. So wurde auf eine
Änderung des Saugrohres verzichtet.
Erreicht wurde schließlich mit allen ausgeführten
Modernisierungsmaßnahmen eine
Steigerung der Turbinenleistung von rund
300 auf 395 kW bei einer mittleren Fallhöhe
von 7,9 m. Die Steigerung an Energieproduktion
bleibt abzuwarten.
Turbinenentwicklung
am „virtuellen Prüfstand“
Der „virtuelle Prüfstand“ ist ein numerisches
Modell des „realen Prüfstandes“. Wie am
realen Prüfstand soll an einer vorgegebenen
Modellturbine für einen beliebigen Betriebspunkt
das Verhalten der Maschine numerisch
getestet werden. Für Kavitationsuntersuchungen
muss auch das Druckniveau variiert werden
entsprechend einer Variation der Einbautiefe
der Turbine. Das soll der virtuelle Prüfstand
in realistischer Weise erlauben und die
auftretenden Effekte, insbesondere Kavitation,
zeigen.
Die Konturen des Strömungskanals sowie die
Profilkoordinaten für Leit- und Laufschaufeln
und deren Positionen werden vorgegeben.
Für eine einfach regulierte Turbine sind
die Leitschaufeln um eine vorgegebene Achse
drehbar, das Laufrad kann rotieren mit der
Drehzahl entsprechend dem Betriebspunkt.
Um einen effizienten Ablauf der Numerik zu
erreichen, ergeben sich im Wesentlichen folgende
Aufgaben für den virtuellen Prüfstand:
— automatische Netzgenerierung im Leitund
Laufradbereich (Bild 8),
— automatische Randbedingung für die
Simulation entsprechend dem Betriebspunkt,
— Strömungsberechnung in Leit- und Laufrad
jeweils in einem Gitterkanal, stationär,
— Strömungsvisualisierung im gesamten
Raum nach Wunsch [8].
Am realen Prüfstand werden folgende Betriebsgrößen
eingestellt:
— Drehzahl n,
— Fallhöhe H,
— Durchsatz Q über die
Leitapparat- oder
Laufradöffnung
oder a o ,
— Gegendruck, Thoma-
Zahl .
Dieses Vorgehen soll
idealerweise auch am virtuellen
Prüfstand möglich
sein. Dabei ist die Einstellung
des Durchsatzes
HD
Q
⋅
1 'Q 2
=
mit der Leitradöffnung gekoppelt, was über
die Eulersche Turbinengleichung bestimmt
werden kann. Die Betriebsbedingungen
müssen automatisch umgerechnet werden in
die strömungsmechanischen Randbedingungen
für die Simulation. Ziel ist, für einen beliebigen
Betriebspunkt im Turbinenkennfeld
(Bild 9) die Strömung automatisch zu berechnen.
Das Engineering bei maßgeschneidertem
Turbinendesign steht und fällt mit einem effizienten
Einsatz der Strömungsnumerik. Der
Automatisierungsgrad muss daher ständig erhöht
werden. Je kleiner die Kraftwerksanlage,
desto stärker schlagen die Engineeringkosten
zu Buche. Will man also auch beim
Modernisieren von Kleinwasserkraftanlagen
auf den Einsatz der Numerik nicht verzichten,
so ist gerade hier ein hoher Automatisierungsgrad
zwingend erforderlich. Man muss
sich aber immer der Tatsache bewusst sein,
dass die Strömungssimulation nur ein Modell
der Wirklichkeit ist und deshalb keine
100 %ige Vorhersagegenauigkeit erwartet
werden kann. Daher ist der reale Prüfstand
nach wie vor – von Fall zu Fall – für Verifikationen
notwendig.
Projektierung und Innovation
Bei der Planung einer neuen Wasserkraftanlage
sind die Betriebsbedingungen selten
so eindeutig, dass man sofort entscheiden
könnte, welcher Maschinentyp der geeignete
ist. Gerade bei Laufwasserkraftwerken ist die
Entscheidung mitunter schwierig, weil die zu
verarbeitende Wassermenge im Laufe des
Jahres schwankt (Beispiel: Bild 10). Die
von der Turbine abgegebene Leistung ist
dann ebenfalls zeitabhängig und beträgt unter
der Annahme konstanter Fallhöhe H zu
einem Zeitpunkt t
P(t) = g H Q(t) (Q)
Die in einer gewissen Zeitspanne ∆t geleistete
Arbeit ist dann W = P(t) ∆t. Aufintegriert
über das Jahr (im Prinzip ist die Zeitspanne T
beliebig) erhält man die Jahresarbeit W Jahr ,
wobei hier gleich die Form der Summierung
angegeben wird:
Dn
1 'n ⋅
=
H
Bild 9. Lage eines Betriebspunktes
im Turbinenkennfeld.
η max.
ϕ = const.
η = 0
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