Motivation: Vor allem kleinere Wasserkraftanlagen an Fließgewässern unterliegen oft sehr hohen Schwankungen von Fallhöhe und verfügbarem Durchfluss innerhalb eines Jahres. Die Turbine muss deswegen oft außerhalb ihres Optimums betrieben werden, was zu Wirkungsgrad- und Leistungseinbußen sowie unter Umständen zu Kavitation führen kann. Abhilfe kann hier eine Kaplanturbine schaffen, deren Laufschaufeln gedreht werden können und die so auch bei variierenden Durchflüssen und Fallhöhen im Optimum betrieben werden kann. Kaplanturbinen besitzen jedoch aufgrund des Verstellmechanismus eine sehr aufwendige und vor allem teure Technik. Allein aus wirtschaftlichen Gründen lohnt sich deshalb ihr Einsatz bei kleinen Wasserkraftwerken meistens nicht. Durch die intensive Forschung und Weiterentwicklung an Windkraftanlagen in den letzten Jahren ist es heute auch möglich, kostengünstige drehzahlvariable Generatoren in der Wasserkraft einzusetzen. So kann durch den Einsatz einer drehzahlvariablen Turbine die kostenintensive Verwendung einer Kaplanturbine verhindert werden.




Randbedingungen für die Auslegung einer drehzahlvariablen Turbine sind der Turbinendurchmesser D, die Drehzahl n, die Schaufelanzahl z, die optimale Fallhöhe H_opt und der optimale Durchfluss Q_opt. In diesem Fall sollen nur kleine Fallhöhen betrachtet werden.

Ziel ist die Entwicklung eines Konzeptes für die Auslegung von drehzahlvariablen Turbinen und eine Kostenreduktion durch Verzicht auf bewegliche Leit- & Laufradschaufeln.

Designanforderung an die Turbine ist ein fester Leitapparat. Der Durchfluss kann also nicht wie sonst üblich über die Leitradstellung, sondern soll über die Drehzahl geregelt werden. Es muss also eine gute Regelbarkeit von Q(n) über n gewährleistet sein.
Wie am Bild zu sehen ist, sinkt das Moment M_T an der Turbine mit steigender Drehzahl (rote Kurve). Das vom Generator maximal aufnehmbare Moment M_G wächst jedoch mit steigender Drehzahl. Der Generator muss das maximale Moment auf die Turbine noch aufnehmen können und wird deshalb für die minimale Drehzahl n_min (und somit maximales M_T) ausgelegt. So kommt es zu einer notwendigen Überdimensionierung (graue Fläche im Bild) des Generators in fast allen Betriebspunkten. Eine weitere Designanforderung an die Turbine ist also eine Senkung des maximalen Drehmomentes M_T um die größe und somit die Kosten des Generators zu Minimieren. Desweiteren sollte die Turbinendrehmomentenkurve hin zu steigenden Drehzahlen möglichst flach verlaufen, da so die eine größere Leistung erzeugt werden kann (P_T=M_T·2πn).



Für die Auswahl des Maschinentypes, also der eigentlichen Laufradkontur, stehen drei Möglichkeiten zur Verfügung, radial, axial und divergent:




Für die radiale Kontur ist keine vernünftige Beschaufelung möglich. Die axiale und die divergente Kontur weißen beide einen guten Verlauf von Q(n) über n auf, sie sind also beide für den Einsatz als drehzahlvariable Turbine geeignet. Ein axiales Laufrad ist aber einfacher herstellbar, weswegen es hier als Auslegungskontur gewählt wird.

Beim Preprocessing erfolgt die Geometriegenerierung mit dem VISiT-RadialRunner-Modul, das für diesen Fall noch etwas weiterentwickelt werden musste. Das für die numerische Untersuchung benötige Berechnungsgitter wird durch einen automatischern Gittergenerierer erzeugt, die turbulenten Randbedingungen werden festgelegt. Die eigentliche numerische Berechnung erfolgt mit der Institutseigenen Simulationssoftware FENFLOSS (Version 6.0.6).

Die Ergebnisse der Strömungsberechnung werden beim Postprocessing durch Visualisierungsprogramme dargestellt und können so analysiert und bewertet werden. Mit ICEM oder COVISE können beispielsweise Stromlinien, mit PATRAN Vektorfelder angezeigt werden. Die Druckverläufe, Fallhöhen, Wirkungsgrade und Drallverteilungen werden so ausgewertet.

Das Projekt Auslegung einer Drehzahlvariablen Turbine ist inzwischen abgeschlossen. Weiterführende Untersuchungen wären in im Bereich Optimierung des ausgewählten Axiallaufrades und bei Messungen an einem Modelllaufrad möglich.