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© Matthias Heisler

Numerische und analytische Berechnungen für hydraulische Maschinen und Anlagen

Forschungsschwerpunkt mit dem Hintergrund der numerischen und analytischen Berechnung von hydraulischen Maschinenkomponenten und des transienten Verhaltens von Wasserkraftanlagen.

Übersicht

Hier finden Sie abgeschlossene Projekte des Forschungsgebiets numerische und analytische Berechnungen für hydraulische Maschinen und Anlagen.

 

Im Rahmen des Förderprogrammes Bridge II des FFG wurden numerische Untersuchungen an einer reversiblen Modellpumpturbine durchgeführt. Generell treten in Pumpturbinen außerhalb des optimalen Betriebspunktes komplexe Strömungen im gesamten Strömungsgebiet auf, welche eine große Herausforderung an die numerische Strömungsmechanik darstellen. Die Untersuchung beschäftigt sich mit der numerischen Simulation rotierender Strömungen unter Berücksichtigung von Systemrotation und Stromlinienkrümmung mit den Reynolds gemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS). Für die Strömungssimulationen wurde die frei verfügbare CFD Software OpenFoam verwendet. Die weiterentwickelte Software wurde anhand generischer Strömungsprobleme, sowie mit Messergebnisse welche an der Modellpumpturbine durchgeführt wurden, validiert.

Mit Unterstützung des Klima Energie Fonds wurde eine modulare Pumpturbine für dezentrale Energiespeicherung entwickelt. Mit diesem Konzept wird versucht die Lücke im Leistungsbereich der Kleinwasserkraft bei der Anwendung von Pumpspeicherkraftwerke zu schließen. Das Anwendungsgebiet in einem Leistungsbereich von 500kW-15MW ermöglicht es, beim Ausbau von Smart Grids sowie bei dezentralen Netzen mit hohem volatilen Einspeisungsanteil regulierend eingesetzt zu werden. Speziell im niedrigen Leistungsbereich gibt es konkrete Anwendungsgebiete für die Verwendung vorhandener Strukturen wie Beschneiungs- und Beregnungsbecken oder stillgelegte Kohleminen als Wasserspeicher. Darin liegen auch die klaren Vorteile gegenüber Großprojekten. Der Platzbedarf sowie der Eingriff in die Natur sind gering und deshalb ist mit höherer Akzeptanz der Bevölkerung und schnelleren Bewilligungsverfahren zu rechnen. Ein weiterer Vorteil stellt die modulare Bauweise in Verbindung mit der Verwendung von standardisierten Bauteilen dar. Hierdurch können die Kosten auf der Maschinenseite gesenkt werden, was den Einsatz im bisher unwirtschaftlichen Bereich der Kleinwasserkraft ermöglicht.

„S-förmige“ Instabilität (S-Schlag) im Turbinenbetrieb einer reversiblen Pumpturbine nahe der Leerlaufdrehzahl bei konstanter Leitradöffung Δγ

Der steigende Energieverbrauch erfordert stetig innovative Technologien, um die vorhandenen Ressourcen ökonomisch zu nutzen und gleichzeitig die ökologische Kompatibilität mit der Umwelt zu wahren. Da die Stromerzeugung infolge von Sonnen- und Windenergie vermehrt volatiles Verhalten aufweist, benötigt man effiziente und zuverlässige Energiespeicherungen, die eine kontinuierliche Verfügbarkeit an elektrischer Energie garantieren. Aus diesem Grund werden sogenannte Pumpspeicherkraftwerke einsetzt, welche wiederum oftmals sogenannte reversible Pumpturbinen als hydraulische Maschinen innehaben. Pumpturbinen können je nach Spezifikation und Auslegungskriterium einen instabilen, S-förmigen Kennlinienverlauf im Turbinenbetrieb nahe der Leerlaufdrehzahl aufweisen - den sogenannten S-Schlag (Abb. 1). Dieser ist durch einen positiven Gradienten in der Kennlinie (dQED/dnED > 0) gekennzeichnet. Infolge des instabilen Kennlinienverhaltens erfolgt eine abrupte Änderung des Betriebszustandes vom Turbinen- in den Rückwärtspumpenbetrieb. Diese macht sich üblicherweise während des Anfahr- bzw. Synchronisierungsprozesses bemerkbar und verursacht unerwünschte Strömungseffekte in Form von dynamischen Druckpulsationen, welche wiederum die Konstruktion der hydraulischen Komponenten stark belasten, wenn Festigkeitstoleranzen überschritten werden. Gleichzeitig verzögern solche Instabilitäten den gesamten Anfahrprozess, erschweren die eigentliche Synchronisierung und verhindern so eine rasche Reaktion auf etwaige Lastwechsel im elektrischen Netz.

* Bei der obigen Abbildung handelt es sich um eine „S-förmige“ Instabilität (S-Schlag) im Turbinenbetrieb einer reversiblen Pumpturbine nahe der Leerlaufdrehzahl bei konstanter Leitradöffnung Δγ.

Aus diesem Grund werden derzeit am IET entsprechende Untersuchungen und Erhebungen durchgeführt, welche die Ursachen des S-Schlages behandeln und den Einfluss verschiedenster Parameter auf das Kennlinienverhalten von reversiblen Pumpturbinen untersuchen sollen, um das instabile Phänomen zu ergründen und daraus etwaige Kompensationsmaßnahmen zur Stabilisierung der Charakteristika abzuleiten.

S-Schlag

Kontakt:

Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Christian BAUER
Telefon.: +43 1 58801 302401
E-Mail: christian.bauer@tuwien.ac.at

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Der Wechsel von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energien birgt Herausforderungen für die Energieversorgungssysteme. Im elektrischen Netz muss zu jedem Zeitpunkt Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage herrschen. Die zum Teil unvorhersehbare Einspeisung von Wind und Photovoltaik verursacht einen erhöhten Bedarf an Regelenergie. Durch die zusätzlich stark gesunkenen Energiepreise liefern Betreiber von Pumpspeicherkraftwerken vermehrt lukrative Regelenergie anstatt aufgrund der Differenz zwischen Spitzen- und Basisstrompreis ihren Profit zu generieren. Da Regelenergie Ungleichgewichte im Netz ausregelt, ist diese sehr stark schwankend und beansprucht somit das Kraftwerk hoch dynamisch. Übliche Einschränkung für die Flexibilität der Anlage ist das Verzögern und Beschleunigen der Wassersäule in den, zum Teil mehrere Kilometer langen, Rohrleitungen und den damit einhergehenden Druckänderungen.

Im Projekt GSG-Grid-H wird versucht die Flexibilität der Anlagen an ihre Grenzen zu führen, ohne gleichzeitig Komponenten der Anlage zu überbeanspruchen. In weiterer Folge werden die entwickelten Modelle im Rahmen eines anderen Projektes mit dem elektrischen Verbundsystem verknüpft,  Störungen im Netz, wie zum Beispiel der Ausfall eines Kraftwerks, und deren Interaktion mit Pumpspeicheranlagen untersucht.

Im Rahmen des COMET K-Projektes GreenStorageGrid werden im Teilprojekt PSP-LowLoad die modernen Anforderungen an die Turbinen und Pumpturbinentechnologie aufgrund des steigenden Energiebedarfs und der immer stärker belasteten elektrischen Netze untersucht. Um möglichst schnell Energie aus dem elektrischen Netz aufnehmen bzw. einspeisen zu können, werden Turbinen und Pumpturbinen immer häufiger und über längere Zeit in tiefer Teillast betrieben. Durch ungünstige Strömungsverhältnisse führt dies zu einem sehr unruhigen Betriebsverhalten der Anlage und zu hohen Anforderungen an die Festigkeit beanspruchter Bauteile wie Laufrad, Leit- und Stützapparat. Der Schwerpunkt dieser Untersuchung liegt auf einer Methodenentwicklung, die es erlaubt, die auftretenden Strömungsvorgänge in der Maschine zu berechnen und die mechanischen Auswirkungen auf die Bauteile zu erfassen.

CFD und FEA Visualisiert

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Kontakt:

Ass.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Eduard DOUJAK
Telefon: +43 1 58801 302304
E-Mail: eduard.doujak@tuwien.ac.at

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Im Rahmen des Förderprogrammes Bridge des FFG wurden numerische und experimentelle Untersuchungen an einer Prototyp Francis Turbine durchgeführt. Die heute Betriebsweise dieser Anlagen und Koppelung an den Regelenergiemarkt, führt zu einer erhöhten Belastung der Komponenten. Deshalb wurden detaillierte Prototyp Messungen durchgeführt um in Kombination mit der Maschinendiagnose und nummerischen Simulationen Aufschluss über das Verhalten der Anlage zu geben.   Darüber hinaus war es das Ziel  die vorhandene Methodik zur Lebensdaueranalyse zu verbessern und um einen Ansatz für transiente Vorgänge zu ergänzen.