FT-PV plus - Francis-Turbinen Prüfstand Virtual +

Aufgrund der sich stark ändernden Rahmenbedingungen am Strommarkt kommt es zu zwingend notwendigen Kostenoptimierungen beim Neubau sowie der Revitalisierung von Wasserkraftwerken, v.a. in Bezug auf das Turbinendesign, die Lebensdauervorhersage sowie die Qualitätssicherung der Einzelkomponenten in Hinblick auf die Erhöhung des Jahresertrags bzw. des „Return of Investment“. Eine zu 100 % belastbare Aussage bezüglich Wirkungsgrad, Jahresertrag, Kavitation und Schwingung einer Francis-Turbine kann derzeit nur mit Hilfe von Modellversuchen erfolgen. Diese sind allerdings aufwendig, teuer und amortisieren sich erst ab Turbinenleistungen von über etwa 10 MW. Im Kleinwasserkraftbereich werden Modellversuche daher nur in Ausnahmefällen durchgeführt. Das hydraulische Design erfolgt somit oft nur auf Basis der deutlich günstigeren CFD-Berechnung (Computational Fluid Dynamics). Dabei werden viele Annahmen getroffen, die zu abweichenden Jahreserträgen, lebensdauerverkürzendem Maschinenverhalten (Schwingung, Kavitation) und unverlässlichen Druckstoßberechnungen führen. Auch das für Francis-Turbinen wichtige Teillastverhalten lässt mit CFD-Berechnungen nach dem heutigen Stand des Wissens nicht sicher voraussagen. Schlussendlich birgt diese Vorgehensweise nicht einschätzbare technische und wirtschaftliche Risiken in sich. Aus Kostengründen wird die Entwicklung und Optimierung von Francis-Turbinen auf Basis von CFD-Berechnungen (ohne Modellversuche) in Zukunft dennoch verstärkt zum Einsatz kommen. Während die Vorhersagegenauigkeit der CFD-Simulationen im Bestpunkt der Turbine ausgezeichnet ist, sind die Berechnungen in Teil- und Überlast auch heute noch mit vielen Unsicherheiten verbunden. Die dabei auftretenden Strömungsablösungen stellen höchste Anforderungen an die Modellbildung und Turbulenzmodellierung. Des Weiteren bleiben die Radseitenräume des Laufrades zur Reduktion des Simulationsaufwandes in der CFD-Berechnung üblicherweise unberücksichtigt. Dies erfordert die Anwendung von simplifizierten analytischen Berechnungen, deren Einsatz häufig zu Fehlinterpretationen führt. Auch Druckstoß-berechnungen sind nur möglich, wenn für die Turbine 4-Quadranten-Kennfelder vorliegen, die auf Basis von CFD bis dato nur sehr ungenau berechnet werden können. Die Anlagenteile müssen infolge der Unsicherheiten überdimensioniert werden, was zu einer ungerechtfertigten Erhöhung der Baukosten führt. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen „Virtual Test Rig“ für Francis-Turbinen zu entwickeln. Auf Basis der parallel dazu durchzuführenden experimentellen Untersuchungen an einem Modellprüfstand werden BEST-PRACTICE Praktiken für die verlässliche Berechnung der Performance und der Charakteristik von Francis-Turbinen in ALLEN Betriebsbereichen erarbeitet, welche in dieser Form nicht existieren. Dadurch wird die Vorhersagegenauigkeit der CFD-Berechnung erhöht sowie zukünftig auch die CFD-basierte Druckstoßberechnung ermöglicht. Des Weiteren erfolgt eine belastbare Potentialeinschätzung von Refurbishment-Projekten hinsichtlich des erreichbaren Wirkungsgradniveaus sowie der Verbesserung des Teillastverhaltens durch den Einsatz neuer Hydrauliken.