Simulation eines schnellen Betriebsübergangs einer Pumpturbine

Pumpspeicherkraftwerke können in großem Maßstab und bei akzeptablen Verlusten Energie speichern. Sie tragen damit dazu bei, Ungleichgewichte im Stromnetz zu verringern und das Netz zu stabilisieren. In den letzten Jahren ist die Anzahl der Wechsel zwischen den Betriebsarten Pump- und Turbinenbetrieb stark angestiegen. Am IHS wird im Rahmen des EU-Projekts HYPERBOLE mit Simulationsmethoden untersucht, welche Strömungsphänomene bei einem schnellen Betriebsübergang mit konstanter Leitschaufelöffnung auftreten. Um später mit Messergebnissen zu vergleichen, werden die Untersuchungen für die Betriebsparameter einer Modellturbine durchgeführt.

Pumpspeicherkraftwerke besitzen sowohl am Oberwasser als auch am Unterwasser ein Speicherbecken. Je nach Drehrichtung der Maschine kann bei Stromüberschuss Wasser von unten nach oben gepumpt werden, oder bei Strommangel aus dem von oben nach unten strömenden Wasser elektrische Energie erzeugt werden. Beim Umschalten zwischen den Betriebsarten muss dementsprechend die Drehrichtung der Maschine umgekehrt werden. Im Projekt wird dazu zunächst der einfachste Fall, eine lineare Änderung der Drehzahl vom Pumpen- in den Turbinenbetrieb, untersucht.

Die Berechnungen werden mit dem Open-Source Code OpenFOAM® durchgeführt und umfassen die Maschine wie in Bild 1 dargestellt von der Spirale bis zum Saugrohraustritt. Dabei können variable Bedingungen wie Volumenstrom und Drehzahl über Tabellen vorgegeben werden, die den zeitlichen Verlauf der Parameter für die Simulation beschreiben.

Die vorgegebene Drehzahl der Maschine sowie der Aufbau und Betrieb des Prüfstands bestimmen den Volumenstrom, den die Simulation als Randbedingung erhält. Wie Bild 2 zeigt, geht die Maschine bereits nach weniger als 20% der Zeit in den Pump-Brems-Betrieb, in dem das Wasser von oben nach unten strömt, während die Maschine weiter in Pumpenrichtung rotiert.

Unter optimalen Bedingungen verteilt sich der Druck des Wassers gleichmäßig über die jeweilige Schaufelseite und auf alle Schaufeln. Durch die ungewöhnlichen Betriebszustände während eines Betriebsübergangs ist dies jedoch nicht zu erreichen und es kommt zu einer erheblichen dynamischen Belastung des Laufrads.

Während sich der Volumenstrom im Pumpbetrieb reduziert, löst die Strömung an den Leitschaufeln ab. Dies führt zu Druckschwankungen, die besonders in Leitschaufelnähe auf der Druckseite der Schaufeln stark ausgeprägt sind. Auch im Pump-Brems-Betrieb bleibt diese Stelle hochbelastet. Beispielhaft vergleicht Bild 3 die Druckverteilung auf den Laufschaufeln zwischen Pump- und Pump-Bremsbetrieb.

Nach der Umkehr der Drehrichtung des Laufrads zeigen sich vermehrt Druckschwankungen in der Nähe des Saugrohrs. Hier rotiert die Strömung im Saugrohr aufgrund der Trägheit noch in „Pumpenrichtung“, während das Laufrad bereits gegenläufig dreht. Dadurch entstehen Wirbelstrukturen, die die Laufschaufeln sehr ungleichmäßig belasten.

^{Finanziert von der Europäischen Kommission im Rahmen des FP7-Projekts Hyperbole (ERC/FP7-ENERGY-2013-1-Grant 608532). Simulation teilweise auf ForHLR Phase I, finanziert vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und der DFG im Rahmen von bwHPC.}