Entwicklung einer Kaplan-Rohrturbinen-Hydraulik

Für ein Kleinwasserkraftwerksprojekt in Rumänien wurde auf Basis von CFD-Berechnungen eine Hydraulik für eine Kaplan-Rohrturbine (Kaplan-Turbine) mit einer spezifischen Schnellläufigkeit von nq = 210 U/min entwickelt. Zur Auslegung der Maschine wurden folgende Anlagendaten verwendet.

Entwickelte Kaplan-Rohrturbine mit Stromlinien aus CFD-Berechnung

Vorgehensweise

Nach der 1D-Auslegung der Leit- und Laufschaufelgeometrie erfolgte die Erzeugung von Rechennetzen und der Zusammenbau eines CFD-Berechnungsmodells. Zur Berechnung einer Kaplankurve bzw. Wirkungsgradeinhüllenden für mehrere Propellerkurven ist eine Abstufung der Leit- und Laufschaufelgitter in 2.5°-Schritten erforderlich. Die im Zuge der Vorauslegung festgelegte Leit- und Laufschaufelgeometrie wurde im Zuge der CFD-basierten Optimierung der Hydraulik so verändert, dass sich ein Optimum für Wirkungsgrad und Kavitationsverhalten [Kavitation...] ergibt.

Die Optimierung der Leit- und Laufschaufelgeometrie wurde mit einem 1-Kanalmodell (eine Leitschaufel, eine Laufschaufel, periodische Randbedingungen) durchgeführt. Die Berechnung der finalen Hydraulikversion erfolgte schließlich in einem vollständigen Berechnungsmodell in stationärer und für einzelne Betriebspunkte auch in transienter Betrachtungsweise.

Ergebnisse: Wirkungsgrad und Kavitationsverhalten

Folgende Abbildung zeigt die Performance sowie das Kavitationsverhalten der finalen Hydraulikversion. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde für den Wirkungsgrad allerdings lediglich die Kaplankurve dargestellt. Die einzelnen Markierungspunkte stellen demnach die Best-Efficiency-Points der einzelnen Propellerkurven dar. Die Wirkungsgradaufteilung gibt des Weiteren Aufschluss über die Einzelverluste der Komponenten Zulauf, Leitapparat, Laufrad und Saugrohr.

Die beiden Kurven im unteren Teil des Diagramms geben Aufschluss über das Kavitationsverhalten der Maschine. Es zeigt sich, dass eine Saughöhe von HS = -1.8 m ausreicht, um bis zu einem Durchfluss von ca. Q = 8.75 m³/s kavitationssicheren Betrieb zu gewährleisten.

Kaplan-Rohrturbine: Hydraulischer Wirkungsgrad, Wirkungsgradaufsplittung und Kavitationsverhalten

Einen detaillierteren Einblick in die CFD-Ergebnisse geben die Druckverteilung im Laufrad (Abb. unten) und die Geschwindigkeitsvektoren im abgewickelten Leit- und Laufschaufelgitter (Abb. unten). Beide Darstellungen beziehen sich auf das Wirkungsgradoptimum der Maschine und belegen, dass der Staupunkt der Strömung exakt auf der Spitze der Profilnase zu liegen kommt. Um einen Eindruck von der Schaufelform der 3-flügeligen Kaplan-Turbine zu vermitteln, wird in der unten angeführten Abbildung eine Draufsicht der Laufschaufelprofile dargestellt.