Entwicklung einer Kaplan-Hydraulik für eine Restwasserturbine

Ein mittelständisches Unternehmen beauftragt die Entwicklung einer Kaplan-Hydraulik (Kaplan-Turbine) für die Verwendung in einer Restwasserturbine. Durch die Änderungen in der europäischen Wasserrahmenrichtlinie kommt es zu einer vermehrten Nachfrage nach Turbinen für diesen Einsatzbereich. Im Zuge einer Konzeptstudie wurden die Nenndaten und Hauptdaten festgelegt: Maximaldurchfluss Q_Max=1.5m³/s, Minimaldurchfluss Q_Min=0.8m³/s und eine spezifische Schnellläufigkeit zu n_q=300U/min. Mit einem Durchmesser von D=0.65m und der Verwendung eines 7-poligen Generators sind die Rahmenbedingungen fixiert.

Basierend auf einem Entwurf für einen Meridianschnitt wurde ein völlig neues Design erarbeitet. Als Regelungskonzept der Restwasserturbine wurde eine semi-regulierte Version mit einer Verstellung der Laufschaufel bei konstant gehaltener Leitschaufelposition entworfen. Die Leitschaufeln der Restwasserturbine sind jedoch so zu konzipieren, dass der Leitapparat im Falle einer Verstopfung durch Schwemmgut manuell „überdreht“ werden kann.

Aufgrund der Einfachregelung der Kaplan-Turbine ist es von großer Bedeutung, ein Laufschaufelprofil zu entwickeln, welches möglichst unempfindlich auf Falschanströmung der Profilnase reagiert. Es wurden zwei unterschiedliche Konzepte angewendet: Die Profilauslegung nach Scholz-Czibere und ein Aufbau der Laufschaufel aus der NACA-Profilreihe 65, eine bei Wasserturbinen gerne eingesetzte Reihe der ansonsten für Tragflügel verwendeten standardisierten Profile.

Zusätzlich zur Wirkungsgradoptimierung wurde versucht, die Profildicke der einzelnen Strömungsprofile und die Ausprägung des Nasenradius der einzelnen Profile entsprechend zu variieren. Als Außenkontur wurden sowohl eine Halbkugel als auch eine Vollkugel analysiert.

Die erreichten Sigma-Werte liegen weit unter den theoretisch errechneten Werten und beweisen ein gutes Kavitationsverhalten des Laufrades [Kavitation...]. Die Wahl der fixen Leitapparatstellung für den Einsatz der Hydraulik als einfach geregelte Restwasserturbine hat einen erheblichen Einfluss auf den tatsächlich erreichten Wirkungsgradverlauf. Die Auswahl der konstanten Leitapparatöffnung muss auf Basis des tatsächlichen Durchflussbereichs getroffen werden. Die gleichmäßige Strömung nach dem Laufrad wird in Abbildung 3 durch Auswertung der meridionalen Strömungsgeschwindigkeit cm bei unterschiedlichen Leitschaufelstellungen bewiesen.