Potentialermittlungsstudie

für ein historisches Wasserkraftwerk

Im Auftrag eines großen deutschen Energieversorgers arbeiten wir derzeit an einer Refurbishment-Studie für ein historisches Wasserkraftwerk, das seit 1956 in Betrieb ist und mit 2 vertikalen Kaplan-Turbinen ausgestattet ist. 

Technische Merkmale der Anlage

Bei einem Laufraddurchmesser von D = 3.70 m und einer Nennfallhöhe von etwa H = 8.5 m beträgt die Nennleistung der Turbinen jeweils 6.6 MW. Gemäß den Informationen des Betreibers befindet sich dieses Kraftwerk mehr oder weniger noch im Originalzustand und soll im kommenden Jahr umfangreichen Sanierungsmaßnahmen unterzogen werden. Vor allem der Turbinenmantel muss dringend getauscht werden, da dieser durch Kavitationsschäden stark in Mitleidenschaft gezogen wurde.

3D-CAD-Modellierung zur Vorbereitung der CFD-Studie

Auf Basis eines 3D-Oberflächenscans der gesamten Turbinengeometrie wurde als Vorbereitung einer umfangreichen CFD-Studie im ersten Schritt ein geschlossenes 3D CAD-Modell erarbeitet.

Numerische Strömungssimulation des IST-Zustandes

Im nächsten Schritt erfolgte die numerische Strömungssimulation des IST-Zustandes um eine fundierte Datenbasis für eine nachfolgende Design-Optimierung zu erhalten. Dabei zeigte sich einerseits, dass die bekannte Nennleistung der Turbine mittels der CFD-Simulation exakt bestätigt werden konnte. Andererseits konnten im Zuge von Detailanalysen der Simulationsergebnisse auch Mängel der bestehenden Turbinenhydraulik aufgezeigt werden.

Folgende Abbildungen zeigen die saug- und druckseitige Druckverteilung auf den verhältnismäßig langen Laufschaufeln bei Ausbaudurchfluss. Die Visualisierungen verdeutlichen eine ungünstige Laufschaufelanströmung sowie saugseitige Kavitationszonen, die im Bereich der ausgeprägten Schäden am Turbinenmantel auftreten.

Verbesserungspotenziale in der Saugrohrströmung

Auch die Saugrohrströmung der ursprünglichen Turbinenkonfiguration zeigt Verbesserungsbedarf. Bezugnehmend auf den Volllastbetrieb der Turbine zeigen die folgenden Abbildungen Geschwindigkeitsverteilungen auf unterschiedlichen Schnittebenen im Saugrohr. Dabei wirkt sich vor allem die ausgeprägte Strömungsablösung im einseitig stark öffnenden Saugrohrkonus nachteilig auf die Turbinenperformance aus.

Wirtschaftliche Vorteile der geplanten Maßnahmen

Die aktuell laufenden Optimierungen zeigen, dass sich sowohl der Turbinenwirkungsgrad als auch das Kavitationsverhalten durch optimierte Laufschaufeln, einen erweiterten Turbinenmantel und einen schwächer öffnenden Saugrohrkonus deutlich verbessern lassen. Die parallel zur CFD-Studie durchgeführte Wirtschaftlichkeitsrechnung zeigt, dass die Jahresarbeit der Turbinen dadurch um mehrere Prozentpunkte gesteigert werden kann.