Kavitationssimulation an einer Francis Turbine für verschiedene Betriebspunkte

Zur Integration Erneuerbarer Energien wie Windkraft und Photovoltaik werden Wasserkraftwerke aufgrund ihres flexiblen Betriebsbereichs immer häufiger dazu genutzt Frequenzschwankungen im Stromnetz abzudämpfen. Dafür werden die Turbinen oft fernab des Auslegungspunktes betrieben, was in komplexen Strömungsphänomenen wie Kavitation resultiert. Kavitation ist ein Phänomen in Wasserturbinen, das die Turbine beschädigen kann und sich negativ auf den Energieertrag auswirkt. Im Rahmen des EU-Projekts HYPERBOLE wird am IHS das Auftreten und Verhalten von Kavitation in einer Francis Turbine bei mehreren Betriebspunkten untersucht.

Der Begriff Kavitation beschreibt die Phasenumwandlung von Wasser zu Wasserdampf und zurück, die beim Unterschreiten des Dampfdrucks stattfindet. Dabei entstehen lokal sehr hohe Drücke, die einzelne Turbinenkomponenten beschädigen können. In welcher Form und welchem Ausmaß Kavitation auftritt hängt vom Betriebspunkt und dem Druckniveau in der Turbine ab. Bei einem guten Design kommt im Auslegungspunkt keine Kavitation vor.

Ein Volllast-Betriebspunkt ist dadurch charakterisiert, dass der Volumenstrom größer ist als im Auslegungspunkt. Die resultierenden Strömungsverhältnisse führen dazu, dass ein achsensymmetrischer Wirbelzopf im Konus entsteht, wie in Bild 1 dargestellt. Das Kavitationsvolumen hängt stark vom Druckniveau ab. Im Modellversuch wird dieses über einen Unterwassertank festgelegt. In einer realen Anlage ist das Druckniveau über die Einbautiefe und den Pegel des Unterwassersees vorgegeben.

Der Wirbelzopf im Konus ist in der Regel für einen bestimmten Betriebspunkt stabil. Gewisse Bedingungen können aber auch zu einem selbsterregten Verhalten führen. Dies hat einen pulsierenden Wirbelzopf zur Folge, wie er auch in diesem Projekt untersucht wird. Die Simulationsergebnisse des dynamischen Verhaltens des Dampfvolumens sind in Bild 2 dargestellt. Neben dem Wirbelzopf tritt auch Kavitation an der Hinterkante der Saugseite des Laufrades auf. Durch den Zerfall des Kavitationsvolumens entstehen Druckspitzen, die sich in der ganzen Anlage bis hin zum Oberwasserbecken auswirken.

Zur Simulation von Wasserturbinen wird in vielen Fällen ein konstanter Massenstrom als Eintrittsrandbedingung vorgegeben. Für den selbsterregten Betriebspunkt ist es erforderlich andere Randbedingungen zu verwenden, die die auftretenden Druckschwankungen wiedergeben können.

Wird der Volumenstrom ausgehend vom Auslegungspunkt abgesenkt, so entsteht zunächst ein schraubenförmiger Wirbelzopf im Konus (Teillast). Mit zunehmender Reduzierung des Durchfluss nimmt die Fehlanströmung des Laufrades zu, so dass sich ab einem bestimmten Punkt Kanalwirbel zwischen den Laufradschaufeln ausbilden. Bild 3 zeigt Simulationsergebnisse für einen solchen Betriebspunkt in starker Teillast.

Das Zentrum eines Wirbels ist charakterisiert durch ein Druckminimum. Um dieses, und damit die Bereiche mit auftretender Kavitation aufzulösen, sind sehr feine Netze mit bis zu 50 Millionen Elementen notwendig.

^{Finanziert von der Europäischen Kommission im Rahmen des FP7-Projekts Hyperbole (ERC/FP7-ENERGY-2013-1-Grant 608532).}