Surge Tank Design for Flexible Hydropower

Wasserschlösser sind hydraulische Bauteile, die einen sicheren und flexiblen Betrieb von Hoch¬druck¬¬wasser¬kraftwerken und Pump¬speicher¬kraftwerken mit Druckstollen bei signifikanten Wasser¬mengen ermöglichen. Effektive Wasserschlösser ermöglichen eine sichere Steuerung der hydraulischen Maschinen und verringern die Amplituden von Druckstößen.
Der Umbau des Energiesystems zu einem auf erneuerbare Energiequellen basierenden Systems erfordert leistungsfähige und nachhaltige Erzeugung erneuerbarer Energie, sowie die Speicherung großer Energiemengen und leistungsfähiger Netzstabilisierung bei minimalen Ressourcenverbrauch und maximaler ökonomischer Nutzbarkeit über eine lange Lebensdauer. Wasserkraftwerke werden immer größer und flexibler in Bezug auf Leistung- und Energiespeicherkapazität konzipiert.
Es wurden spezifische Wasserschlösser von großen Wasserkraftanlagen mittels 1D- und 3D-numerischer Simulationen sowie physikalischer Modellversuche untersucht. Ein spezifisches Wasserschloss wurde mit Messungen im Prototyp verglichen und validiert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf der hydraulischen Auslegung von Wasser¬schlössern im Hinblick auf die Massenschwingung und einer adäquaten Druckstoßreaktion. Es wird eine Sicherheits¬philosophie für eine robuste Auslegung von Wasserschlössern diskutiert und vorgeschlagen. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit sind die Untersuchungen zur Beherrschung von Wasserfällen in Wasserschlössern, die aus dem Abfluss von oberen Kammern in Kammerwasserschlössern entstehen, und welche erhebliche Luftmengen in Wasserschlösser einbringen können. Anhand physikalischer Modellversuche und des realisierten Prototyps wird die Entwicklung eines spezifischen Wasserfall¬dämpfungs-elements untersucht und verifiziert. Speicherstollen Wasserschlösser und Semi-Luftdruck Wasser¬schlösser werden als weitere Verbesserungen als Wasserschloss¬konstruktionen untersucht und vorgeschlagen. Hydraulisch optimierte Wasserschlösser weisen ein minimiertes Volumen und niedrige Trägheits¬koeffizienten auf. Sie sind sehr robust und ohne bewegliche Teile für den Betrieb konstruiert, und ermöglichen eine sichere und effektive Wartung. Um die Massen¬schwingung in Wasserschlössern für große und flexible Wasserkraftanlagen zu dämpfen, erweist sich die Optimierung der Differentialeffekte durch hydraulische Drosseln und Ober¬kammer¬effekte als besonders effektiv.