Motivation
Wasserkraft war im Jahr 2016 bei den erneuerbaren Energien mit ca. 1064 GW der größte Energieträger. Etwa 16,4 % des weltweit erzeugten Stroms wird aus Wasserkraft gewonnen. Der wachsende Energiebedarf sowie der Ausbau von regenerativen Energiequellen eröffnet Möglichkeiten für die Wasserkraft. Studien proklamieren allein in Deutschland ein Ausbaupotential von 450 Kleinwasserkraftanalgen oder 0,4 TWh. Schwankungen des Stromnetzes, hervorgerufen durch Windkraft und Photovoltaik, können durch die schnelle Regelbarkeit von Wasserkraftanlagen ausgeglichen werden. Dies kann jedoch dazu führen, dass die Turbinen in Betriebspunkten außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs betrieben werden, mit der Gefahr, dass transiente Effekte, wie Druckschwankungen, Kavitation usw. auftreten.
Untersuchte Betriebspunkte
Die Übertragung der im Modellmaßstab gemessenen Ergebnisse auf den Prototyp erfolgt mit Hilfe eines Turbinenkennfeld in normierter Form, dargestellt in Bild 1. Auch die auftretenden Phänomene wie Kavitation können mit Hilfe von dimensionslosen Kennzahlen von Modell auf Prototypengröße übertagen werden. Die auftretenden Phänomene variieren je nach Betriebspunkt. Die hydraulische Kontur der untersuchten axialen Propellerturbine ist in Bild 2 dargestellt. Im numerischen Modell wurden keine Geometrievereinfachungen durchgeführt, d.h. alle auftretenden Kanten und Spalte werden berücksichtigt. Um die auftretenden instationären Phänomene möglichst genau abzubilden, werden unterschiedliche höherklassige Turbulenzmodelle verwendet, die im Vergleich zu klassischen RANS Modellen kleinere turbulente Skalen auflösen können. Die Untersuchungen der verschiedenen Betriebspunkte werden mit Rechengittern von bis zu 100 Million Elementen durchgeführt. Zur Lösung werden Simulationszeiten von mehreren Monaten auf mehreren 1000 Cores auf Supercomputern wie z.B. der CRAY XC-40 am HLRS benötigt.
Saugrohrströmung
Bei den untersuchten Betriebspunkten entwickeln sich komplett unterschiedliche Strömungsverhältnisse im Saugrohr. Die turbulenten Strukturen für Volllast, Optimum und Teillast sind in Bild 3 links dargestellt. Bei allen Betriebspunkten ist der Schaufelnachlauf und der Spaltwirbel zu erkennen. Die unterschiedlichen Wirbelstrukturen im Nabennachlauf entwickeln sich auf Grund der verschiedenen Geschwindigkeitsverteilungen am Laufradaustritt. Bei Volllast bildet sich ein eher zentraler Wirbelzopf wohingegen sich bei Teillast ein korkenzieherförmiger Wirbel ausbildet. Der Einfluss des Turbulenzmodells auf die Größe der aufgelösten turbulenten Skalen ist in Bild 3 rechts dargestellt. Standard RANS Turbulenzmodelle, wie das SST Modell, sind nicht in der Lage feine Strukturen aufzulösen. Hybride RANS-LES Turbulenzmodelle wie das SAS und das SBES Modell können abhängig vom Betriebspunkt auftretenden charakteristischen Phänomenen sowie den Zerfall der Wirbelstrukturen besser vorhersagen. Die charakteristischen Phänomene Wirbelzopf, Spaltwirbel und der Schaufelnachlauf können bereits mit RANS Modellen aufgelöst werden. Mit höherklassigen Turbulenzmodellen werden die Wirbelstrukturen jedoch deutlich detaillierter erfasst. In Bild 4 ist der zeitlich gemittelte Verlauf der Axial und Umfangsgeschwindigkeitskomponente für die untersuchten Betriebspunkte sowie die auftretenden charakteristischen Frequenzen dargestellt Die Auswertepositionen für die gemittelten Geschwindigkeitsprofile und die Wanddrücke sind in Bild 2 eingezeichnet.
