Verlustuntersuchung, Strömungs- und Einsatzoptimierung eines Rohrturbinenkraftwerkes mithilfe numerischer Methoden

Markus Mosshammer, Markus Hölbling, Helmut Benigni

Research output: Contribution to conferencePaperResearchpeer-review

Abstract

An Buchtenkraftwerken hat sich in der Vergangenheit häufig gezeigt, dass es bei falscher Gestaltung des Einlaufbereiches zu Ablösungen und Wirbelbildungen an der Einlaufgeometrie kommt. Die dadurch entstehenden Verluste und inhomogenen Turbinen¬anströmungen dürfen keinesfalls vernachlässigt werden. An einem bestehenden Flusskraft¬werk eines österreichischen Energieversorgers wurde aufgrund unterschiedlicher Leistungsabgaben an zwei baugleichen Kaplan-Rohrturbinen eine Störung in der Einlaufströmung vermutet. Ziel war es, die Einlaufströmung an diesem Kraftwerk unter Anwendung von numerischer Simulation zu untersuchen und eventuelle Beeinträchtigungen der Strömung aufzuzeigen.
Der untersuchte Strömungsraum umfasste Teile des Oberwassers des Kraftwerkes, die Bereiche um das Wehr sowie im Krafthaus die Turbineneinläufe bis zu den Leitschaufeln der Turbinen. Daraus ergibt sich ein Rechengebiet mit einer Länge von 175 Metern und einer maximalen Breite von 108 Metern. Das gesamte Volumen beträgt 140.490 m³. Zur Generierung des Rechengitters wurde ANSYS Meshing verwendet. Dazu wurde der gesamte Strömungsraum in unterschiedliche Gitter aufgeteilt, um große Teile des Rechenraumes strukturiert vergittern zu können. Insbesondere die Strömungsräume rund um die Einlauf¬rechen, der mit einer lichten Weite von 88 mm in Anbetracht der Größe der Rechenfläche ein sehr feines Rechengitter notwendig macht, erforderte ein strukturiertes Gitter.
Für alle Simulation wurde ANSYS CFX Version 15.0 verwendet. Neben einphasigen Simulationen von verschiedenen Betriebspunkten, wurden auch mehrphasige Simulationen, unter Verwendung des „Homogenous Models“, durchgeführt. Der Rechenraum der mehrphasigen Simulationen schließt im Oberwasser des Kraftwerkes einen Luftraum mit einer Höhe von drei Metern über dem Wasserspiegel mit ein. Die mehrphasigen Simulationen machten zusätzlich ein in den Bereichen des Wasserspiegels, wiederum in Anbetracht der Gesamtgröße des Strömungsraumes, sehr feines Rechengitter notwendig.
Die Ergebnisse der Simulation zeigen, neben dem aufgrund der Beobachtungen im realen Kraftwerksbetrieb erwarteten Wirbel an der Wasseroberfläche, zusätzliche Verwirbelungen im Bereich der Einlaufsohle. Diese beiden Wirbel verursachen eine ungleichmäßige Anströmung der an das Wehr anschließenden Turbine. Im Zuge des wasserbaulichen Versuches im Rahmen der Planung des Kraftwerkes wurde die Einlaufströmung bereits untersucht. Ein Vergleich der Messergebnisse mit den Ergebnissen der Simulation zeigt, dass im Modellversuch bereits dieselben Strömunginhomogenitäten aufgetreten waren, wobei eine Lokalisierung der Wirbelentstehung im Rahmen des Modellversuches, im Gegensatz zur Simulation, nicht eindeutig möglich war.
In weiteren Simulationen wurden die Auswirkungen von unterschiedlichen baulichen Maßnahmen im Einlaufbereich auf die Turbinenanströmung untersucht. Um in weiterer Folge den Einfluss der untersuchten Einlaufströmungen auf die Turbinenleistung beurteilen zu können, werden am Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen an der Technischen Universität Graz basierend auf den durchgeführten Berechnungen weitere Simulationen inklusive der Turbinen durchgeführt
Original languageGerman
Publication statusPublished - 25 Jun 2015
EventACUM 2015 -
Duration: 24 Jun 201525 Jun 2015

Conference

ConferenceACUM 2015
Period24/06/1525/06/15

Cite this

Verlustuntersuchung, Strömungs- und Einsatzoptimierung eines Rohrturbinenkraftwerkes mithilfe numerischer Methoden. / Mosshammer, Markus; Hölbling, Markus; Benigni, Helmut.

2015. Paper presented at ACUM 2015, .

Research output: Contribution to conferencePaperResearchpeer-review

Mosshammer, M, Hölbling, M & Benigni, H 2015, 'Verlustuntersuchung, Strömungs- und Einsatzoptimierung eines Rohrturbinenkraftwerkes mithilfe numerischer Methoden' Paper presented at ACUM 2015, 24/06/15 - 25/06/15, .
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title = "Verlustuntersuchung, Str{\"o}mungs- und Einsatzoptimierung eines Rohrturbinenkraftwerkes mithilfe numerischer Methoden",
abstract = "An Buchtenkraftwerken hat sich in der Vergangenheit h{\"a}ufig gezeigt, dass es bei falscher Gestaltung des Einlaufbereiches zu Abl{\"o}sungen und Wirbelbildungen an der Einlaufgeometrie kommt. Die dadurch entstehenden Verluste und inhomogenen Turbinen¬anstr{\"o}mungen d{\"u}rfen keinesfalls vernachl{\"a}ssigt werden. An einem bestehenden Flusskraft¬werk eines {\"o}sterreichischen Energieversorgers wurde aufgrund unterschiedlicher Leistungsabgaben an zwei baugleichen Kaplan-Rohrturbinen eine St{\"o}rung in der Einlaufstr{\"o}mung vermutet. Ziel war es, die Einlaufstr{\"o}mung an diesem Kraftwerk unter Anwendung von numerischer Simulation zu untersuchen und eventuelle Beeintr{\"a}chtigungen der Str{\"o}mung aufzuzeigen. Der untersuchte Str{\"o}mungsraum umfasste Teile des Oberwassers des Kraftwerkes, die Bereiche um das Wehr sowie im Krafthaus die Turbineneinl{\"a}ufe bis zu den Leitschaufeln der Turbinen. Daraus ergibt sich ein Rechengebiet mit einer L{\"a}nge von 175 Metern und einer maximalen Breite von 108 Metern. Das gesamte Volumen betr{\"a}gt 140.490 m³. Zur Generierung des Rechengitters wurde ANSYS Meshing verwendet. Dazu wurde der gesamte Str{\"o}mungsraum in unterschiedliche Gitter aufgeteilt, um gro{\ss}e Teile des Rechenraumes strukturiert vergittern zu k{\"o}nnen. Insbesondere die Str{\"o}mungsr{\"a}ume rund um die Einlauf¬rechen, der mit einer lichten Weite von 88 mm in Anbetracht der Gr{\"o}{\ss}e der Rechenfl{\"a}che ein sehr feines Rechengitter notwendig macht, erforderte ein strukturiertes Gitter.F{\"u}r alle Simulation wurde ANSYS CFX Version 15.0 verwendet. Neben einphasigen Simulationen von verschiedenen Betriebspunkten, wurden auch mehrphasige Simulationen, unter Verwendung des „Homogenous Models“, durchgef{\"u}hrt. Der Rechenraum der mehrphasigen Simulationen schlie{\ss}t im Oberwasser des Kraftwerkes einen Luftraum mit einer H{\"o}he von drei Metern {\"u}ber dem Wasserspiegel mit ein. Die mehrphasigen Simulationen machten zus{\"a}tzlich ein in den Bereichen des Wasserspiegels, wiederum in Anbetracht der Gesamtgr{\"o}{\ss}e des Str{\"o}mungsraumes, sehr feines Rechengitter notwendig. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, neben dem aufgrund der Beobachtungen im realen Kraftwerksbetrieb erwarteten Wirbel an der Wasseroberfl{\"a}che, zus{\"a}tzliche Verwirbelungen im Bereich der Einlaufsohle. Diese beiden Wirbel verursachen eine ungleichm{\"a}{\ss}ige Anstr{\"o}mung der an das Wehr anschlie{\ss}enden Turbine. Im Zuge des wasserbaulichen Versuches im Rahmen der Planung des Kraftwerkes wurde die Einlaufstr{\"o}mung bereits untersucht. Ein Vergleich der Messergebnisse mit den Ergebnissen der Simulation zeigt, dass im Modellversuch bereits dieselben Str{\"o}munginhomogenit{\"a}ten aufgetreten waren, wobei eine Lokalisierung der Wirbelentstehung im Rahmen des Modellversuches, im Gegensatz zur Simulation, nicht eindeutig m{\"o}glich war.In weiteren Simulationen wurden die Auswirkungen von unterschiedlichen baulichen Ma{\ss}nahmen im Einlaufbereich auf die Turbinenanstr{\"o}mung untersucht. Um in weiterer Folge den Einfluss der untersuchten Einlaufstr{\"o}mungen auf die Turbinenleistung beurteilen zu k{\"o}nnen, werden am Institut f{\"u}r Hydraulische Str{\"o}mungsmaschinen an der Technischen Universit{\"a}t Graz basierend auf den durchgef{\"u}hrten Berechnungen weitere Simulationen inklusive der Turbinen durchgef{\"u}hrt",
author = "Markus Mosshammer and Markus H{\"o}lbling and Helmut Benigni",
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year = "2015",
month = "6",
day = "25",
language = "deutsch",

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TY - CONF

T1 - Verlustuntersuchung, Strömungs- und Einsatzoptimierung eines Rohrturbinenkraftwerkes mithilfe numerischer Methoden

AU - Mosshammer, Markus

AU - Hölbling, Markus

AU - Benigni, Helmut

N1 - ISBN: 3-937523-12-X

PY - 2015/6/25

Y1 - 2015/6/25

N2 - An Buchtenkraftwerken hat sich in der Vergangenheit häufig gezeigt, dass es bei falscher Gestaltung des Einlaufbereiches zu Ablösungen und Wirbelbildungen an der Einlaufgeometrie kommt. Die dadurch entstehenden Verluste und inhomogenen Turbinen¬anströmungen dürfen keinesfalls vernachlässigt werden. An einem bestehenden Flusskraft¬werk eines österreichischen Energieversorgers wurde aufgrund unterschiedlicher Leistungsabgaben an zwei baugleichen Kaplan-Rohrturbinen eine Störung in der Einlaufströmung vermutet. Ziel war es, die Einlaufströmung an diesem Kraftwerk unter Anwendung von numerischer Simulation zu untersuchen und eventuelle Beeinträchtigungen der Strömung aufzuzeigen. Der untersuchte Strömungsraum umfasste Teile des Oberwassers des Kraftwerkes, die Bereiche um das Wehr sowie im Krafthaus die Turbineneinläufe bis zu den Leitschaufeln der Turbinen. Daraus ergibt sich ein Rechengebiet mit einer Länge von 175 Metern und einer maximalen Breite von 108 Metern. Das gesamte Volumen beträgt 140.490 m³. Zur Generierung des Rechengitters wurde ANSYS Meshing verwendet. Dazu wurde der gesamte Strömungsraum in unterschiedliche Gitter aufgeteilt, um große Teile des Rechenraumes strukturiert vergittern zu können. Insbesondere die Strömungsräume rund um die Einlauf¬rechen, der mit einer lichten Weite von 88 mm in Anbetracht der Größe der Rechenfläche ein sehr feines Rechengitter notwendig macht, erforderte ein strukturiertes Gitter.Für alle Simulation wurde ANSYS CFX Version 15.0 verwendet. Neben einphasigen Simulationen von verschiedenen Betriebspunkten, wurden auch mehrphasige Simulationen, unter Verwendung des „Homogenous Models“, durchgeführt. Der Rechenraum der mehrphasigen Simulationen schließt im Oberwasser des Kraftwerkes einen Luftraum mit einer Höhe von drei Metern über dem Wasserspiegel mit ein. Die mehrphasigen Simulationen machten zusätzlich ein in den Bereichen des Wasserspiegels, wiederum in Anbetracht der Gesamtgröße des Strömungsraumes, sehr feines Rechengitter notwendig. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, neben dem aufgrund der Beobachtungen im realen Kraftwerksbetrieb erwarteten Wirbel an der Wasseroberfläche, zusätzliche Verwirbelungen im Bereich der Einlaufsohle. Diese beiden Wirbel verursachen eine ungleichmäßige Anströmung der an das Wehr anschließenden Turbine. Im Zuge des wasserbaulichen Versuches im Rahmen der Planung des Kraftwerkes wurde die Einlaufströmung bereits untersucht. Ein Vergleich der Messergebnisse mit den Ergebnissen der Simulation zeigt, dass im Modellversuch bereits dieselben Strömunginhomogenitäten aufgetreten waren, wobei eine Lokalisierung der Wirbelentstehung im Rahmen des Modellversuches, im Gegensatz zur Simulation, nicht eindeutig möglich war.In weiteren Simulationen wurden die Auswirkungen von unterschiedlichen baulichen Maßnahmen im Einlaufbereich auf die Turbinenanströmung untersucht. Um in weiterer Folge den Einfluss der untersuchten Einlaufströmungen auf die Turbinenleistung beurteilen zu können, werden am Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen an der Technischen Universität Graz basierend auf den durchgeführten Berechnungen weitere Simulationen inklusive der Turbinen durchgeführt

AB - An Buchtenkraftwerken hat sich in der Vergangenheit häufig gezeigt, dass es bei falscher Gestaltung des Einlaufbereiches zu Ablösungen und Wirbelbildungen an der Einlaufgeometrie kommt. Die dadurch entstehenden Verluste und inhomogenen Turbinen¬anströmungen dürfen keinesfalls vernachlässigt werden. An einem bestehenden Flusskraft¬werk eines österreichischen Energieversorgers wurde aufgrund unterschiedlicher Leistungsabgaben an zwei baugleichen Kaplan-Rohrturbinen eine Störung in der Einlaufströmung vermutet. Ziel war es, die Einlaufströmung an diesem Kraftwerk unter Anwendung von numerischer Simulation zu untersuchen und eventuelle Beeinträchtigungen der Strömung aufzuzeigen. Der untersuchte Strömungsraum umfasste Teile des Oberwassers des Kraftwerkes, die Bereiche um das Wehr sowie im Krafthaus die Turbineneinläufe bis zu den Leitschaufeln der Turbinen. Daraus ergibt sich ein Rechengebiet mit einer Länge von 175 Metern und einer maximalen Breite von 108 Metern. Das gesamte Volumen beträgt 140.490 m³. Zur Generierung des Rechengitters wurde ANSYS Meshing verwendet. Dazu wurde der gesamte Strömungsraum in unterschiedliche Gitter aufgeteilt, um große Teile des Rechenraumes strukturiert vergittern zu können. Insbesondere die Strömungsräume rund um die Einlauf¬rechen, der mit einer lichten Weite von 88 mm in Anbetracht der Größe der Rechenfläche ein sehr feines Rechengitter notwendig macht, erforderte ein strukturiertes Gitter.Für alle Simulation wurde ANSYS CFX Version 15.0 verwendet. Neben einphasigen Simulationen von verschiedenen Betriebspunkten, wurden auch mehrphasige Simulationen, unter Verwendung des „Homogenous Models“, durchgeführt. Der Rechenraum der mehrphasigen Simulationen schließt im Oberwasser des Kraftwerkes einen Luftraum mit einer Höhe von drei Metern über dem Wasserspiegel mit ein. Die mehrphasigen Simulationen machten zusätzlich ein in den Bereichen des Wasserspiegels, wiederum in Anbetracht der Gesamtgröße des Strömungsraumes, sehr feines Rechengitter notwendig. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, neben dem aufgrund der Beobachtungen im realen Kraftwerksbetrieb erwarteten Wirbel an der Wasseroberfläche, zusätzliche Verwirbelungen im Bereich der Einlaufsohle. Diese beiden Wirbel verursachen eine ungleichmäßige Anströmung der an das Wehr anschließenden Turbine. Im Zuge des wasserbaulichen Versuches im Rahmen der Planung des Kraftwerkes wurde die Einlaufströmung bereits untersucht. Ein Vergleich der Messergebnisse mit den Ergebnissen der Simulation zeigt, dass im Modellversuch bereits dieselben Strömunginhomogenitäten aufgetreten waren, wobei eine Lokalisierung der Wirbelentstehung im Rahmen des Modellversuches, im Gegensatz zur Simulation, nicht eindeutig möglich war.In weiteren Simulationen wurden die Auswirkungen von unterschiedlichen baulichen Maßnahmen im Einlaufbereich auf die Turbinenanströmung untersucht. Um in weiterer Folge den Einfluss der untersuchten Einlaufströmungen auf die Turbinenleistung beurteilen zu können, werden am Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen an der Technischen Universität Graz basierend auf den durchgeführten Berechnungen weitere Simulationen inklusive der Turbinen durchgeführt

M3 - Paper

ER -