Numerische Lebensdauerberechnung einer Francis Turbine im Auslegungspunkt

Abstract

In der heutigen Zeit müssen hydraulische Maschinen, und da im speziellen Pumpspeicheranlagen, einen flexiblen Betrieb gewährleisten. Im sogenannten Regelbetrieb werden die Maschinen oft mehrmals am Tag angefahren und wieder abgestellt bzw. über einen längeren Zeitraum unter Teillast betrieben. Diese wechselnden Betriebsbedingungen führen zu unterschiedlichen Belastungen der Maschinen, die ihre Lebensdauer wesentlich beeinflussen. Ein Phänomen, das zu dynamischen Belastungen der Struktur führt, ist die Rotor-Stator Interaktion zwischen Leit- und Laufschaufeln. Sie ist nahe dem Auslegungspunkt und bei Vollast das dominante instationäre Phänomen und ihr Einfluss auf die Lebensdauer des Laufrades soll erfasst werden. Dazu wird ein Setup für eine numerische Lebensdaueranalyse unter Verwendung einer unidirektionalen Fluid-Struktur Kopplung mit partitionierter Lösung erstellt. Im Zuge dessen werden stationäre und transiente Strömungssimulationen, als auch statische und harmonische Finite Elemente Berechnungen durchgeführt. Dieses Setup wird für einen reinen Betrieb im Auslegungspunkt verwendet und mit DMS-Messdaten an der entsprechenden Prototyp Francis-Maschine validiert. Anschließend wird eine Lebensdauerprognose mit den Simulationsergebnissen durchgeführt, um eine Aussage über den Einfluss der Rotor-Stator Interaktion auf die Lebensdauer der Francis-Maschine zu treffen.

In the last few years the requirements on the operating conditions of hydraulic machinery have been changing. Especially for pumped storage power plants the provision of regulating energy becomes more and more important. This leads to more start-ups and shut-downs as well as operation in part load conditions over longer time periods. The dynamic excitations in these operating conditions have major effects on the fatigue-life of the machinery. A phenomena, which leads to dynamic loading on the runner is the rotor-stator interaction between guide vanes and runner blades. In the best efficiency point and operating conditions close to it the rotor-stator interaction is the dominant transient phenomena and its effect on the liftime of the Francis turbine should be evaluated. Therefore, a fatigue-life approach using unidirectional partitioned fluid structure interaction is developed. This approach is using steady and unsteady computational fluid dynamic simulations as well as static and harmonic finite element simulations. The investigations are performed in the best efficiency point and the results are validated with strain gauge measurements on the according prototype Francis turbine. Afterwards a fatigue analysis is used to determine the influence of the rotor-stator interaction on the lifteime of the runner.