Numerische Simulation der Einlaufstruktur einer Kaplan-Z-Turbine

Für ein Wasserkraftwerk in Tansania wurde eine numerische Simulation der Einlaufstruktur von Kaplan-Z-Turbinen durchgeführt.

Nenndaten des Wasserkraftwerks:

Bruttofallhöhe: Hmax = 22,50 m
Nettofallhöhe: Hnet = 21,70 m
Max. Durchfluss / Maschine: Qmax = 14,63 m
Auslegung Durchfluss: Qrated = 13,30 m
Drehzahl: n = 375 rpm

3D-Design der Einlaufstruktur Kaplan-Turbine

Die Einlaufstruktur der betreffenden Kaplan-Turbine besteht aus einem nahezu horizontal verlaufenden Einlaufrohr, einem 90° Krümmer mit 4 Stk. Umlenkblechen und einem vertikalen Zulaufstück, welches an den Leitapparat anschließt. Wie in der oben angeführten Abbildung, wird die Maschinenwelle vertikal durch den Krümmer geführt, wobei das Wellenschutzrohr mit 4 Leitblechen abgestützt wird.

Ziel des Projekts

Die Ziele der Untersuchung waren die Ermittlung der Strömungsverluste, die Darstellung und Bewertung der Geschwindigkeitsverteilung am Übergang zum Leitapparat sowie die Berechnung möglicher Kraftfluktuationen im Bereich der Leitbleche bzw. der Maschinenwelle. Unter Verwendung von ANSYS-CFX V14.5 wurden zu diesem Zweck stationäre sowie auch instationäre 3D-Strömungssimulationen für verschiedene Betriebspunkte durchgeführt.

Ergebnisse

Die Darstellung der Verluste basiert auf der Auswertung der Totaldruckdifferenz zwischen Ein- und Auslass des numerischen Modells. Neben der Optimierung der Einlaufstruktur für den Ausbaudurchfluss von Q = 15 m³/s wurden darüber hinaus die Ergebnisse dreier Rechengitter mit unterschiedlicher Netzdichte dargestellt. Es zeigt sich, das die räumliche Auflösung des Rechennetzes nur einen untergeordneten Einfluss auf die berechneten Strömungsverluste hat.

Kaplan-Turbine: Geschwindigkeitskonturen am Übergang zum Leitapparat bei Q = 15 m³/s

Kaplan-Turbine: Geschwindigkeitsvektoren im Mittelschnitt bei Q = 15 m³/s

^Kaplan-Turbine: Verlusthöhenparabel und Gitterabhängigkeit — Kaplan-Turbine: Verlusthöhenparabel und Gitterabhängigkeit

Eine Auswertung der Geschwindigkeitsvektoren im Mittelschnitt der Einlaufstruktur bzw. der Geschwindigkeitsverteilung am Übergang zum Leitapparat ist in den folgenden Abbildungen dargestellt. Die Ergebnisse beziehen sich auf den Ausbaudurchfluss und zeigen, dass die Strömung durch die Umlenkung sowie die Wellendurchführung zwar mehr oder weniger stark gestört wird (siehe Abb. oben, "Geschwindigkeitsvektoren"), sich diese Störung bis hin zum Leitapparat aber zufriedenstellend vergleichmäßigt (siehe Abb. oben, "Geschwindigkeitskonturen").

Die Auswertung der Kräfteverhältnisse auf die 4 Leitbleche ist auszugsweise in der folgenden Abbildung für die y-Richtung dargestellt. Es zeigt sich, dass es im transienten Berechnungszeitraum von insgesamt 10 Sekunden zu keinen nennenswerten Kraftfluktuationen im Bereich der Leitschaufeln kommt. Für die transiente Berechnung wurde ein Zeitschritt von
t = 0.01 s verwendet, um Frequenzen bis zu 50 Hz abzubilden.