Hydraulischer Stoß in einer Verteilleitung von Peltonturbinen

Abstract

Die vorliegende Arbeit gliedert sich in einen theoretischen und einen praktischen Teil. Im ersten Teil werden grundlegende Literaturinformationen zu Pelton-Turbinen, strömungsmechanischen Phänomenen und numerischer Strömungsmechanik (CFD) behandelt. Dazu gehören einerseits der Aufbau und die Funktionsweise der Pelton-Turbine, die Grundlagen der Strömungsmechanik einschließlich der Navier-Stokes Gleichungen, Diskretisierungsmethoden und Turbulenzmodelle, sowie die Beschreibung von Druckstößen, Stoßwellen, Kavitation und Mehrphasenströmungen. Der praxisorientierte Teil der Arbeit widmet sich der numerischen Untersuchung von Strömungsvorgängen in Verteilleitungen von Pelton-Turbinen. Ziel dabei ist es, die hydraulischen Effekte während des Schließvorgangs der Düsen zu analysieren, da hierbei Druckstöße und Kavitation auftreten können, die sowohl die Betriebssicherheit als auch die Materialbeanspruchung erheblich beeinflussen. Zur Validierung der Simulationsmethodik wurde zunächst ein zweiphasiger Druckstoß in einem geraden Rohr nachgebildet und mit experimentellen Referenzdaten verglichen. Auf Grundlage dieser validierten Einstellungen wurde die Methodik anschließend auf eine sechsdüsige Verteilleitung übertragen, wie sie in Pelton-Turbinen typischerweise eingesetzt werden. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Wasserverteilung im Verteiler gleichmäßig erfolgt, jedoch durch Umlenkungen und Reibungsverluste lokale Druck- und Geschwindigkeitsunterschiede entstehen. Beim Schließen der Düsen wurden deutliche Druckspitzen beobachtet, die kurz vor dem vollständigen Schließen auftraten und über den Werten im geschlossenen Zustand lagen. Darüber hinaus kam es im Bereich der Düsen zum Auftreten von Kavitation, was eine potenzielle Gefahr für die Funktionsweise der Turbine hat. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wird deutlich, dass die Wahl der Schließzeiten der Düsen einen entscheidenden Einfluss auf die Belastung der Anlage hat. Eine optimierte Schließfunktion im Zusammenspiel mit der gezielten Anpassung der Schließzeit kann nicht nur die Gefahr von Kavitation verringern, sondern auch Druckspitzen reduzieren und damit den Einsatz von kostengünstigen Materialien ermöglichen. Die Arbeit liefert damit eine fundierte Grundlage für eine praxisnahe Optimierung von Pelton-Turbinen und trägt zu einer sicheren Nutzung bei.

The present work is divided into a theoretical and a practical part. The first part covers fundamental literature on Pelton turbines, fluid dynamic phenomena and computational fluid dynamics (CFD). This includes the design and operation of Pelton turbines, the fundamentals of fluid mechanics including the Navier-Stokes equations, discretization methods and turbulence models, as well as the description of pressure surges, water hammer, cavitation, and multiphase flows. The practical part of the work focuses on the numerical investigation of flow processes in Pelton turbine distribution manifolds. The objective is to analyse the hydraulic effects during the nozzle-closing process, as pressure surges and cavitation may occur, which can significantly affect both operational safety and material stress. To validate the simulation methodology, a two-phase water hammer in a straight pipe was reproduced and compared with experimental reference data. Based on these validated settings, the methodology was subsequently applied to a six-nozzle distribution manifold, as typically used in Pelton turbines. The simulation results show that the water distribution within the manifold is generally uniform, although local pressure and velocity differences arise due to deflections and friction losses. During nozzle closure, significant pressure peaks were observed, occurring shortly before complete closure and exceeding the values in the fully closed state. In addition, cavitation was observed in the nozzle region, representing a potential risk to the turbine’s operational integrity. Based on these results, it becomes evident that the choice of nozzle closing times has a decisive impact on the load experienced by the system. An optimized closing function in combination with the targeted adjustment of the closing time can not only reduce the risk of cavitation but also mitigate the pressure peaks, enabling the use of more cost-effective materials. The work thus provides a solid basis for the practical optimization of Pelton turbines and contributes to their safe operation.