Investigations on critical low-load and transient operation of a prototype Francis turbine

Abstract

In den nächsten Jahren ist es eine der größten Herausforderungen der Menschheit, Antworten auf die Auswirkungen des Klimawandels zu finden. Um den CO2- Ausstoß entscheidend zu vermindern, ist eine Integration von neuen erneuerbaren Energieträgern in das bestehende Stromnetz von Nöten. Das Problem dabei ist, dass Energiequellen wie Wind und Sonne vom Wetter abhängen und damit eine volatile Energiemenge in das bestehende Stromnetz einspeisen. Dies führt wiederum zu einem erhöhten Regelaufwand um das Stromnetz innerhalb seiner Frequenzlimits stabil zu halten. Basierend auf den Vorteilen und Möglichkeiten von hydraulischen Maschinen können diverse Netzdienstleistungen zeitunabhängig zu Verfügung gestellt werden. Bezogen auf Francis Turbinen führt dies allerdings zu einer erhöhten Belastung infolge von Druckpulsationen, welche im Teillastbetrieb und bei transienten Vorgängen vermehrt auftreten. Um die Betriebszeit zu verlängern und damit auch die Instandhaltungskosten zu senken sowie die Schadensrisiken besser einschätzen zu können, wird eine Lebensdauer Analyse benötigt. Die gegenständliche Arbeit zielt auf eineWeiterentwicklung der numerischen Lebensdaueranalyse ab, da detaillierte Prototyp Messungen nicht für alle Maschinensätze durchführbar und meist mit erhöhten Kosten verbunden sind. Um die numerische Methodik zu validieren wurden umfangreiche Druck- und Schwingungsmessungen an eine Prototypanlage durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Laufradspannungen mittels Dehnmessstreifen bestimmt, um eine umfangreiche Beurteilung des Verhaltens in tiefer Teillast zu ermöglichen. Weiters sind stationäre und instationäre CFD Analysen mittels der Software ANSYS-CFX und FEM Simulationen mit ANSYS-Mechanical durchgeführt worden. Die Strömung im kritischen stationären Lastpunkt wurde unter der Verwendung von hybriden RANS-LES Turbulenzmodellen analysiert. Die Untersuchungen ergaben, dass ein Teillastwirbelzopf der Grund für die erhöhten Druckpulsationen und damit Schädigungsraten ist. Außerdem war es möglich durch Anwendung von rechenintensiven CFD-Modellen und High Performance Computing (HPC), Vortex Shedding ausgehend von der Schaufel Hinterkante, welches zu einer Systemanregung führte, zu detektieren. Zusätzlich zu den instationären Betrachtungen wurde auch ein transienter CFDAnsatz, welcher am Beispiel des Lastabwurf Szenarios und des Startprozesses getestet und validiert wurde, entwickelt. Die Anwendung und Genauigkeit des numerischen Ansatzes wurde in allen betrachteten Fällen durch die Messdaten validiert.

Nowadays, our answer to the challenges of climate change is one of the most pressing concerns facing the public and governments worldwide. In order to reduce the carbon dioxide (CO2) emissions, the integration of new renewables in the electricity system is a key element. The use of these volatile sources of energy leads to higher requirements of grid stabilization services. Based on their advantages and possibilities, hydraulic machines are an ideal choice to provide the required balancing energy to the electrical grid. However, Francis turbines are subjected to the dynamic flow phenomena, resulting in unsteady pressure fluctuations in off-design conditions, which may lead to higher risk of fatigue damages and a reduced lifetime. In order to reduce the operating costs and prevent expensive failure events, detailed information of the flow behavior, ensuring a reliable lifetime assessment is required. The present work targets the further development of numerical fatigue analysis, as site measurements are not feasible and too expensive in most cases. Moreover, to validate the simulations, detailed site measurements on a prototype Francis turbine, including strain gauges on the trailing edge, were performed. Thereby, information about the behavior of the machine set during most of the possible operating regions were gathered. Later on, critical operating regions were examined and a lifetime assignment based on the experimental data is presented. Furthermore, steady and unsteady computational fluid dynamic (CFD) analyses with the commercial code ANSYS-CFX and finite element method (FEM) computations were performed using ANSYS-Mechanical. The most critical low-load operating point was analyzed by means of hybrid, RANS-LES turbulence models. Thereby, a tube vortex structure leading to high pressure pulsations was revealed. Moreover, it was also possible to detect vortex shedding in this operating region by the use of higher resolution grids and high performance computing (HPC). Consequently, a transient CFD approach was developed and tested on load rejection and two start up cases. The applicability and accuracy of the numerical approach is validated by the measurement data.