Numerische Simulation von Stabilisierungsluft in einer Francisturbine

Abstract

Der stetig zunehmende Ausbau erneuerbarer Energien und die damit einhergehenden stärker werdenden Schwankungen im Stromnetz haben dazu geführt, dass sich die Anforderungen am Energiemarkt grundlegend verändert haben. Um wettbewerbsfähig bleiben zu können, müssen Energieerzeuger in der Lage sein, sich dem dynamischen Energiemarkt anzupassen. Dies gilt auch für Wasserkraftwerke, die daher immer öfter in Teillastpunkten, fernab des Auslegungspunktes mit dem besten Wirkungsgrad, betrieben werden. Hauptproblem dabei ist, dass diese Betriebsbedingungen die Bildung eines niederfrequenten Wirbels nach sich ziehen können, welcher starke Druckfluktuationen innerhalb der Turbineneinheit hervorruft und so den stabilen Betrieb beeinträchtigt. Studien haben gezeigt, dass die gezielte Luftinduzierung eine vielversprechende Methode ist, um diesem instationären Strömungsphänomen entgegenzuwirken und dadurch das Betriebsverhalten in der Teillast zu verbessern. Davon ausgehend ist das Ziel dieser Arbeit den numerischen Einfluss von Stabilisierungsluft auf das Betriebsverhalten einer Prototyp-Francisturbine zu untersuchen, wobei die Einblasung der Luft nicht wie häufig üblich über den Kern der Laufradnabe erfolgt, sondern über den schauffellosen Raum zwischen Leitapparat und Laufrad. Zunächst wurde ein numerisches Modell für die Abbildung der Prototyp-Francisturbine erstellt und anhand von Messungen an der Realanlage validiert. Zur Validierung wurden neben der standardmäßigen einphasigen Berechnung auch zweiphasige Simulationen mit Kavitationsmodell durchgeführt. Sämtliche CFD-Untersuchungen erfolgten dabei mit dem für industrielle Anwendungen standardmäßig gewählten SST-Turbulenzmodell. Die Analyse der mit den Messdaten validierten Ergebnisse zeigte das Auftreten eines signifikant ausgeprägten Wirbels, welcher mit ca. dem 0,2-fachen der Laufraddrehfrequenz rotiert. Die Implikation der Wasserdampfphase zur Durchführung einer zweiphasigen Simulation mit dem (SST-)Kavitationsmodell brachte mit den durch Messdaten vorgegebenen Rahmenbedingungen keinen Validierungsmehrwert, was darauf schließen lässt, dass das SST-Modell Druckschwankungen unterschätzt und dadurch insbesondere die Drücke im Inneren des Wirbelzopfes überschätzt. Ein experimentell reduzierter Saugrohrgegendruck (physikalisch mit einem niedrigeren Unterwasserpegel gleichzusetzen) führte jedoch zu instabilen Dampfgebieten innerhalb des Wirbels und zu stark erhöhten Druckpulsationen. Abschließend wurde in einem Betriebspunkt ein Vergleich mit und ohne numerisch integrierter Luft angestellt, wodurch auf die Wirkung der eingeblasenen Luft geschlossen werden konnte. Es wird gezeigt, dass die injizierte Luft mit der in dieser Arbeit angewandten Form der Lufteinblasung keine Abhilfe zum auftretenden Teillastwirbel darstellt. Es konnte jedoch beobachtet werden, dass sich höhere Luftvolumenanteile insbesondere an den Randschichten des Laufrads und des Saugrohres festsetzen. Auf Basis umfangreicher Messuntersuchungen kann darauf geschlossen werden, dass diese Luftverteilungen zu einem wesentlich ruhigeren Betriebsverhalten in der Teillast führen.

The expanding use of volatile energy sources such as wind and solar and the resulting fluctuations in the electricity grid have led to a fundamental change in the requirements of the energy market. In order to remain competitive, energy producers must be able to adapt and consequently operate power plants according to electricity supply and demand. This also applies to hydropower plants, which are therefore increasingly operated at partial load points, far away from the best-efficiency point. The primary concern here is that these part load conditions can lead to the formation of a rotating vortex rope, which causes strong pressure fluctuations within the turbine unit and thus impairs stable operation. Studies have shown that targeted air injection is a promising method for counteracting this dynamic flow phenomenon and thus improving the operating behaviour at partial load. Based on this, the aim of this thesis is to investigate the numerical influence of stabilization air on the operating behaviour of a prototype Francis turbine, whereby the air is injected into the vaneless space between guide vanes and runner and not as often the case, via central aeration of the runner core. First a numerical model of the Francis turbine was created and validated using prototype site measurements. In addition to the conventional single-phase calculation, two-phase simulations with a cavitation model were also carried out for validation purposes whereat all CFD investigations were performed with the standard Shear Stress Transport (SST) turbulence model selected for industrial applications. The analysis of the results validated with the measurement data showed the occurrence of a significant draft tube vortex structure rotating at about 0.2 times the rotational frequency of the runner. The implication of the water vapour phase to the simulation using the (SST-)cavitation model with the numerical boundary conditions specified by measurement data did not add any value and leads to the conclusion that the SST turbulence model underestimates pressure fluctuations inside the vortex rope. However, an experimentally reduced draft tube outlet pressure level (physically equivalent to a lower underwater level) led to unstable steam areas within the vortex and highly increased pressure pulsations. Finally, a comparison was made at an operating point with and without numerically integrated air, through which the effect of the injected air could be concluded. It is shown that the form of air injection applied in this work does not prevent or even affect the formation of a rotating vortex core. However, it could be observed that higher air volume proportions are particularly attached to the outer layers of the runner and the draft tube. On the basis of extensive measurement investigations, it can be concluded that these air distributions lead to a significantly improved operating behaviour at partial load.