Durchführung transienter Finite-Elemente Simulationen mit anschließender Lebensdauerberechnung für ein Francis-Turbinenlaufrad

Abstract

Die zunehmende Integration volatiler Energieerzeuger wie Windkraft- und Photovoltaikanlagen stellt neue Anforderungen an den Betrieb von Wasserkraftanlagen. Insbesondere Pumpspeicherkraftwerke übernehmen aufgrund ihrer hohen Betriebsflexibilität eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von Regelenergie und der Stabilisierung des Stromnetzes. Die daraus resultierenden häufigen Lastwechsel sowie der Betrieb in Teillast- und Überlastbereichen führen jedoch zu erhöhten dynamischen Belastungen der Maschinenkomponenten, weshalb die Bewertung der Materialermüdung und Lebensdauer zunehmend an Bedeutung gewinnt. In dieser Arbeit werden die unterschiedlichen Betriebszustände einer Hochdruck-Francis-Turbine eines Pumpspeicherkraftwerks untersucht. Das Ziel besteht darin, die mechanische Beanspruchung des Turbinenlaufrads unter variierenden Betriebsbedingungen zu analysieren und daraus Schädigungsfaktoren für eine Lebensdauerbewertung abzuleiten. Hierzu werden instationäre CFD-Simulationen durchgeführt, deren transiente Druckfelder auf ein Finite-Elemente-Modell des Laufrads übertragen werden. Die daraus berechneten Spannungsverteilungen dienen der Identifikation kritischer Bereiche und liefern die notwendigen Spannungsverläufe für die anschließende Ermüdungsanalyse. Zur Validierung der numerischen Modelle werden die berechneten Spannungen mit DMS-Messdaten verglichen. Auf Basis der Abweichungen werden Spannungskorrekturfaktoren bestimmt, um die Simulationsergebnisse an das reale Anlagenverhalten anzupassen. Anschließend werden aus den Spannungsverläufen Schädigungsfaktoren für die einzelnen Betriebspunkte berechnet und mit den Betriebsdaten des Kraftwerks verknüpft. Dadurch kann die Schädigung über den gesamten Betriebsbereich bewertet und die Lebensdauer des Laufrads abgeschätzt werden. Zudem werden die Schädigungsfaktoren in das bestehende Turbinenkennfeld integriert, was neben der Darstellung bisheriger Kenngrößen künftig auch eine Bewertung des Einflusses einzelner Betriebspunkte auf die Lebensdauer ermöglicht.

The increasing integration of volatile energy sources, such as wind power and photovoltaic systems, poses new challenges for the operation of hydroelectric power plants. In particular, pumped-storage power plants play a crucial role in providing balancing energy and stabilizing the power grid due to their high operational flexibility. However, the resulting frequent load changes, as well as operation in part-load and overload regimes, lead to increased dynamic stresses on the machine components, which is why the assessment of material fatigue and lifetime is becoming increasingly important. This thesis investigates the various operating conditions of a high-head Francis-turbine in a pumped-storage power plant. The objective is to analyze the mechanical stress on the turbine runner under varying operating conditions and thereby to derive damage factors for a lifetime evaluation. For this purpose, transient CFD simulations are performed, and their transient pressure fields are subsequently transferred to a finite element model of the runner. The resulting stress distributions are used to identify critical areas and provide the necessary stress histories for the subsequent fatigue analysis. To validate the numerical models, the calculated stresses are compared with strain gauge measurement data. Based on the deviations, stress correction factors are determined to adapt the simulation results to match the actual plant behavior. Subsequently, damage factors for the individual operating points are calculated from the stress histories and linked with the operational data of the power plant. This allows the damage to be evaluated over the entire load collective and estimates the lifetime of the runner. Furthermore, the determined damage factors are integrated into the existing turbine operating map, which, in addition to the previously considered parameters, enables a future evaluation of the influence of individual operating points on the lifetime.