Aktuelle Betriebserfahrungen

zur Hydraulische Entwicklung einer 5-flügeligen Kaplan-Turbine

Im Rahmen der umfassenden Modernisierung eines Wasserkraftwerks in Angola, wurden wir bereits vor einiger Zeit mit der Entwicklung und Optimierung eines neuen Kaplan Laufrades beauftragt. Das Kraftwerk, welches im Jahr 1959 in Betrieb ging, ist mit drei Kaplan-Turbinen ausgestattet und verfügt über folgende Kennwerte:

• Gesamtkapazität von rund 40 MW
• Fallhöhe 19,5 m;
• Durchfluss 81,25 m³/s
• Laufrad-Durchmesser 3,3 m

Numerische Simulation

Mithilfe von CFD-Techniken wurde das hydraulische Verhalten simuliert, welches den Spezifikationen der neuen empfohlenen hydraulischen Geometrie und Turbinendrehzahl für das bestehende Wasserkraftwerk entspricht.

Die numerische Simulation mittels CFD basiert auf den Erfahrungen, die mit realen Modellversuchen gemäß IEC 60193 gewonnen wurden.

Entwicklung der neuen hydraulischen Geometrie

Die gesamte Anlage, die Geometrie der Spirale, des Leitapparats, der Laufradnabe, des Laufradmantels und des Saugrohrs (bestehend aus Saugrohrkonus, Krümmer sowie horizontalem Diffusor), wurde anhand der vorhandenen Geometrien in einem 3D-Modell nachgebildet.

Für die Entwicklung der neuen Laufschaufelgeometrie wurden in Folge drei verschiedene Basis-Designs untersucht und hinsichtlich ihres Wirkungsgrads und des Kavitationsverhaltens analysiert.

Die Entwürfe basierten auf von uns erstellten Turbinendesigns mit ähnlicher Drehzahl. Der endgültige Entwurf der Laufradschaufel ist schließlich das Ergebnis einer Reihe von Tests und Optimierungen.

Mit Hilfe zusätzlicher Simulationen bei H=21,5 m und H=17,5 m wurde ein Turbinenkennfeld erstellt, über welches auch die ideale Kombination aus Leit- und Laufschaufelposition ermittelt wurde. Es konnte schließlich ein Spitzenwirkungsgrad von mindestens 94% erreicht werden. 

Die Turbinen sind nun bereits seit einigen Jahren erfolgreich im Betrieb und ermöglichen eine nachhaltige, stabile Elektrizitätsversorgung im westafrikanischen Staat.