Neuauslegung einer Kaplan-Turbinen-Hydraulik

Für ein mittelständisches Unternehmen wurde für Kraftwerk im vorderen Orient die Neuauslegung einer Kaplan-Turbinen-Hydraulik (Kaplan-Turbine) durchgeführt.

Die untersuchte Kaplanturbine mit 3D Stromlinien
Die untersuchte Kaplanturbine mit 3D Stromlinien

Die Grundauslegung der Schaufel erfolgte 1-dimensional auf 6 Teilfluträdern. Die Ausgangsgeometrie für die 3D-Rechnung wurde mit dem Scholz-Czibere-Verfahren gefunden, einem Singularitätenverfahren, welches am Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen programmiert und in den vergangenen Jahren häufig und erfolgreich zur Auslegung von Kaplan-Laufschaufeln verwendet wurde. Schaufel- bzw. Profillänge wurden mittels der Thomann-Anhalte für vertikale Kaplanturbinen bestimmt, die sich nach unserer Beobachtung als Ausgangsgrößen immer wieder bewähren und relativ leicht optimiert werden können. Die Konstanten zur Bestimmung der Dicken- sowie Quellfunktion wurden an Erfahrungswerte des Instituts für Hydraulische Strömungsmaschinen angelehnt.

Gesamtwirkungsgradverlauf sowie Wirkungsgradaufsplittung zwischen Optimalpunkt und Leitungsgrenze
Gesamtwirkungsgradverlauf sowie Wirkungsgradaufsplittung zwischen Optimalpunkt und Leitungsgrenze

Für die Kaplan-Turbinen-Hydraulik wurde ein maximaler Gesamtwirkungsgrad von knapp 93% erzielt. Darüber hinaus ist der Verlauf des Gesamtwirkungsgrades wesentlich flacher ausgeprägt als bei allen anderen zuvor präsentierten Schaufelvarianten. Bemerkenswert ist auch, dass der Wirkungsgradverlauf der Originalschaufel bis zu einem Durchfluss von Q=72.5m³/s erreicht wird. In einem Durchflussbereich von Q=50m³/s bis Q=60m³/s gehen im Laufrad nur noch etwa 4.25 Prozentpunkte an Wirkungsgrad verloren. Die verbesserte Laufradabströmung führt im Vergleich zu allen anderen untersuchten Schaufelvarianten zu einer sanfteren Zunahme der Saugrohrverluste in Überlast.

Sigma-Verlauf der neuen Laufschaufel, der Originalschaufel und der Anlage
Sigma-Verlauf der neuen Laufschaufel, der Originalschaufel und der Anlage
Druckverteilung an der Laufschaufel
Druckverteilung an der Laufschaufel

Um die Kavitationsempfindlichkeit [Kavitation...] der neu entwickelten Laufschaufel zu bewerten, wurde das für den garantiert kavitationsfreien Betrieb der Laufschaufel erforderliche Sigma (Sigma-pHisto0.005) mit dem von der Anlage vorgegebenen Sigma (Sigma vorhanden) verglichen.

Die kleine Grafik in Abbildung 18 zeigt die Druckverteilung (normiert) an den Strömungsflächen der Laufschaufel (Druckseite und Saugseite). Deutlich zu erkennen ist eine weitgehend homogene Druckverteilung im Bereich der Eintrittskante sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite.

Saugrohrdurchströmung im Bereich des Optimums
Saugrohrdurchströmung im Bereich des Optimums
Saugrohrdurchströmung im Bereich der Überlast
Saugrohrdurchströmung im Bereich der Überlast

Abschließend zur Optimierung der Kaplan-Turbinen-Hydraulik wurde das Saugrohr hinsichtlich seiner Effizienz, kinetische Energie in statische Energie umzuwandeln bewertet, der Diffusorwirkungsgrad berechnet und hinsichtlich der Erkenntnisse für einen Idealdiffusor umgesetzt. Für die idealisierte Saugrohrdurchströmung ergibt sich beim Nenndurchfluss ein Diffusorwirkungsgrad von hD=83.6% und beim Maximaldurchfluss von hD=84%, dies liegt also relativ nah am maximal erreichbaren Wert von 88%.

Diese detaillierten Untersuchungen zeigen, dass der Idealdiffusor für diese Geometrie praktisch erreicht ist.

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