Erfolgreiche CFD-Optimierung

einer Francis-Turbine im Rahmen einer Kraftwerkssanierung

Für ein Wasserkraftwerk in Spanien, wurden wir im Zuge der Kraftwerkssanierung vor etwa 2 Jahren mit der CFD-basierten Refurbishment-Studie für eine Francis Tubine beauftragt. 

Eckdaten zum Wasserkraftwerk und zur Francis Turbine:

• Netto-Fallhöhe (Design): 114.2 m
• Schwankungsbreite der Netto-Fallhöhe: 86 m – 138 m
• Max. Durchfluss Qmax (Design): 8.68 m3/s
• Durchmesser des Läuferrads am Austritt: 980 mm
• Höhe der Leitschaufeln: 243 mm
• Nominale Turbinen-Drehzahl: 750 rpm
• Seehöhe des Wasserkraftwerks: ~ 800 m
• Max. mech. Leistung 9000 KW
• Saughöhe: - 4.6 m (Turbine unterhalb des Unterwasserspiegels)
• Anzahl der Leitschaufeln: 16
• Teilkreisdurchmesser des Leitapparats: 1300 mm
• Anzahl der Laufschaufeln: 13

Ausgangssituation

Die ursprüngliche Turbine war über 35 Jahre im Einsatz und wurde über einen weiten Fallhöhenbereich betrieben. Da die Laufschaufeln an mehreren Stellen Kavitationsschäden (siehe Fotos) aufwiesen, sollte das ursprüngliche Laufrad durch ein neues, optimiertes Design ersetzt werden.

Im Betrieb kam es auch zu Problemen mit Vibrationen an Laufrad und Lager, die jedoch grundsätzlich typisch für den mittleren und tiefen Teillastbetrieb sind. Je nach den auftretenden Strömungsphänomenen (kavitierende spiralförmige Teillastwirbel, kavitierende Schaufelkanalwirbel) ist mit starken Vibrationen zu rechnen, wenn die Turbine weit entfernt von ihrem optimalen Wirkungsgrad betrieben wird.

CFD-Studie bestätigt vorhandene Schäden

Im Rahmen einer CFD-Studie haben wir die bestehende Turbine analysiert. Dabei wurden sowohl die vorhandenen Kavitationsschäden als auch die unzureichende Performance eindeutig bestätigt. Die von uns daraufhin optimierte Turbine wurde inzwischen gefertigt und befindet sich mittlerweile erfolgreich im Betrieb.