FT-PV+ Francis Turbinen Prüfstand Virtual +

Projektverlauf

Messungen am ursprünglichen Laufrad

Nach der erfolgten Wiederinbetriebnahme des Francis-Turbinenmodells wurden umfangreiche Kennfeldmessungen durchgeführt. Die Parameter für die Inbetriebnahme wurden so gewählt, dass die Mindestanforderungen der IEC60193 erfüllt wurden.
Das Turbinenkennfeld wurde von der Maximalfallhöhe bis unter die Durchbrennkurve gemessen. Zusätzlich zu den Wirkungsgradmessungen wurden an ausgewählten Betriebspunkten Wirkungsgrad-Abrissäste gemessen, um das Kavitationsverhalten der Anlage zu untersuchen.

CFD-Berechnung der ursprünglichen Hydraulik

Nach der Erstellung von CFD-Rechennetzen in unterschiedlicher Auflösung und Qualität wurde ein ein-phasiges und zwei-phasiges Berechnungsmodell erstellt. Mit Hilfe dieser Modelle konnten die Messungen aus dem ersten Projektabschnitt verglichen werden, und so die CFD-Berechnung bewertet werden. Durch die unterschiedliche Qualität der Rechennetze kann außerdem abgeschätzt werden, welcher Rechenaufwand auch in Zukunft erforderlich ist, um ausreichend genaue Ergebnisse der CFD-Berechnung zu erhalten.

Optimierung und Präzisierung des CFD-Modells

Zur Optimierung des CFD-Modells wurden an ausgewählten Betriebspunkten instationäre Strömungssimulationen durchgeführt, um einerseits den Einfluss auf den Wirkungsgrad zu berücksichtigen und um andererseits Aussagen bezüglich des Teillastverhaltens zu gewinnen.
Zur Ermittlung der Druckpulsationen im Saugrohr (führen im Teillastbetrieb von Francis-Turbinen üblicherweise zu Schwinungen) wurden im Zuge der instationären Berechnung die Druckpulsationen am Ein- und Austritt des Saugrohres ausgewertet.

Optimierung und Fertigung neuer Turbinenkomponenten

Die Leit- und Laufschaufel wurde im Zuge der Optimierung durch die Schaufelwinkel bzw. Dickenverteilung so angepasst, dass der optimale Wirkungsgrad bei größerem Durchfluss liegt (was bei Refurbishment-Projekten oft gefordert wird), und sich dabei sich der Wirkungsgrad und das Kavitationsverhalten verbessert.
Die optimierten Komponenten wurden in weiterer Folge fertigungsgerecht konstruiert und auf hochpräzisen 5-Achs-Bearbeitungszentren hergestellt.

Druckstoßberechnung

Beispielhaft wurde für ein bereits realisiertes Wasserkraftprojekt in der Türkei eine Druckstoßberechnung durchgeführt, welcher die beiden Kennfelder (Berechnung bzw. Messung) zu Grunde gelegt wurden. Für die unterschiedlichen Lastfälle Notschluss, Lastabwurf und Volllastabschaltung der Turbine wurde jeweils der Druckverlauf im Druckrohr simuliert und verglichen.
Da das Ergebnis auf wenige Prozentpunkte übereinstimmt, kann das transiente Anlagenverhalten auf Basis dieser Erkenntnisse in Zukunft hinreichend genau unter Verwendung eines CFD-basierten Turbinenkennfeldes simuliert werden.

Meilensteine

1. Messung und CFD-Berechnung der bestehenden Turbinenhydraulik
2. CFD-Berechnung einer neuen State-of-the-Art Turbinenhydraulik
3. Fertigung des neuen Laufrades und der neuen Leitschaufeln
4. Messung der neuen Turbinenhydraulik am Prüfstand Druckstoßberechnung

Ergebnisse

Optimierung der Lauf- und Leitschaufelgeometrie
Verbesserung des Maximaldurchflusses der Turbine
Verbesserung Wirkungsgrades und des Kaviationsverhaltens
Druckpulsationen (Feststellung in CFD-Berechnung)
Druckstoßberechnung

Downloads

• 006-Endbericht-18-publizierbarerEndbericht.pdf