Numerische Lebensdauerberechnung einer Francis Turbine

Abstract

Aufgrund der Einspeisung volatiler Energiequellen in das Stromnetz, werden Wasserkraftanlagen heutzutage vermehrt zur Netzregulierung eingesetzt. Dies führt jedoch häufig zu erhöhten Betriebszeiten außerhalb des eigentlichen Auslegungspunktes der Anlage. Erhöhte dynamische Strömungseffekte, welche sich schädigend auf die mechanische Struktur auswirken, sind die Folge. Für Betreiber ist daher die Kenntnis dieser Auswirkungen auf die Kraftwerkskomponenten von großer Bedeutung. Um teure und aufwändige Anlagenmessungen zu vermeiden, wurden numerische Werkzeuge entwickelt, mit denen es bereits während des Designprozesses möglich ist, Aussagen über die Größenordnung des Einflusses auf die Lebensdauer der in Teil- oder Überlast betriebenen Anlage zu treffen. In dieser Diplomarbeit wird aus diesem Grund die Vorgehensweise der numerischen Lebensdauerberechnung einer Francis Turbine durchgeführt. Unter Verwendung unidirektionaler Fluid-Struktur-Interaktion, werden Druckfelder aus einer instationären Strömungssimulation als Randbedingung auf eine transiente strukturmechanische Analyse aufgebracht. An definierten Positionen am Laufrad, werden die zeitlichen Spannungsverläufe für das gesamte Lastspektrum der Anlage ausgewertet und anschließend, zur Validierung der Simulation, mit den im realen Betrieb gemessenen Werten verglichen. Für die Beurteilung der Laufradschädigung wird die lineare Schadensakkumulations-Hypothese nach Palmgren und Miner herangezogen. Somit lassen sich für den gesamten Betriebsbereich Schädigungsfaktoren ermitteln, mit denen bei bekanntem Lastkollekitv der Anlage, eine Aussage über die Lebensdauer der Francis Turbine getätigt werden kann.

Due to supply of volatile energy sources in the grid, more and more waterpowerplants are nowadays used for grid stabilization. This however often leads to rising operating times in so called off-design points of the plant. Increased dynamic flow effects, which are damaging for the mechanical runner structure, are the consequence. For operators the knowledge of these effects on the mechanical plant components is of high importance. To prevent expensive and time-consuming measurements, numerical tools are developed. They enable to predict the influence on the plant lifetime of part- and overload operation already during the design process. That is the reason why this thesis displays the procedure of the numerical lifetime calculation of a francis runner. Applying unidirectional fluid-structure-interaction, pressure fields received from an instationary fluid simulation are applied as boundary condition in a following transient strucutral mechanical analysis. At defined positions on the runner, time-dependent stress curves are analyzed for the complete load range of the plant and compared to measurement values for validation purposes. To evaluate the runner damage, the linear damage accumulation hypothesis, according to Palmgren and Miner, is used. Hence the damage factors for the entire load range can be determined and a prediction of the potential runner lifetime, for a known load spectrum of the plant, is possible.