Durchführung transienter Finite Elemente Simulationen eines Pumpturbinenlaufrades mit anschließender Lebensdauerberechnung

Abstract

Im letzten Jahrzehnt ist der Beitrag von erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik- und Windkraftanlagen an der weltweiten Stromproduktion stark angestiegen. Die von diesen Anlagen abgegebene Leistung ist, anders als die von herkömmlichen Energiegewinnungsanlagen, stark von den vorherrschenden meteorologischen Bedingungen abhängig und wenig flexibel. Da in einem Stromnetz der aktuelle Energiebedarf aller Verbraucher und die von den Kraftwerken erzeugte Leistung zu jedem Zeitpunkt im Gleichgewicht sein müssen, fällt die Zuständigkeit der Netzregelung auf andere Technologien, die ihre Stromproduktion an die der wetterabhängigen erneuerbaren Energiequellen anpassen müssen. Oft werden Wasserkraftanlagen für diese Regelungsaufgaben eingesetzt, da sie ein hohes Maß an Flexibilität aufweisen und innerhalb von Sekunden reagieren können. Durch diese notwendigen Leistungsanpassungen werden Wasserkraftanlagen nicht mehr primär in ihrem Bestpunkt betrieben, sondern müssen auch Betriebspunkte im Teillastbereich anfahren. In derartigen Betriebspunkten können sich starke Verwirbelungen und andere ungünstige Strömungsphänomene ausbilden, die durchverstärkte Druckschwankungen eine erhöhte Belastung für das Laufrad darstellen.Diese erschwerten Einsatzbedingungen wirken sich in weiterer Folge auch auf den Verschleiß und die Lebensdauer aller verbauten Komponenten aus.Diese Arbeit befasst sich mit der Bestimmung von sogenannten Schädigungsfaktoren eines Pumpturbinenlaufrades an verschiedenen Betriebspunkten. Dafür werden die zeitabhängigen Druckfelder, die mithilfe von in stationären Strömungssimulationen(CFD) bestimmt werden, als Belastung in transienten numerischen Festigkeitsberechnungen mithilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) verwendet. Die daraus gewonnenen zeitlich aufgelösten Spannungsverläufe bilden die Grundlage für die Ermittlung der Schädigungsfaktoren und eine anschließende Lebensdauerbewertung.

In the past decade, the contribution of renewable energy sources such as photovoltaic and wind power plants to global electricity generation has increased significantly. Unlike conventional power generation systems, the output of these installations is highly dependent on prevailing meteorological conditions and offers limited flexibility. Since the instantaneous balance between electricity demand and supply must be maintained at all times within the power grid, the responsibility for grid regulation shifts to other technologies. Hydropower plants are frequently used for this purpose, as they provide a high degree of operational flexibility and can respond within seconds.These new flexibility requirements mean that hydropower plants are no longer operated solely at their design point, but must also cover partial-load operating conditions. Under such conditions, strong flow instabilities and other adverse flow phenomena can develop, leading to significant pressure fluctuations that impose increased loads on the runner. These demanding operating conditions consequently affect the wear and service life of all installed components.This thesis focuses on the determination of so-called damage factors for a pumpturbine impeller at various operating points. For this purpose, the time-dependent pressure fields, which can be determined through unsteady computational fluid dynamics (CFD) simulations, are used as loads in transient structural analyses using the finite element method (FEM). The time-resolved stress histories obtained from the FEM calculations form the basis for the calculation of damage factors and a subsequent lifetime assessment.