Entwicklung eines neuen Laufrades

für eine Francis-Turbine mit starken Erosionserscheinungen

Wasserkraftanlagen, die im alpinen Raum betrieben werden, leiden oftmals unter erosiven Verschleißerscheinungen. Vor allem wenn das Einzugsgebiet im Bereich von noch vergletscherten Tälern liegt, ist oftmals mit Revisionsintervallen von nur wenigen Jahren zu rechnen. Für ein solches Kraftwerk haben wir unlängst die Entwicklung von neuen Francis-Ersatzlaufrädern abgeschlossen. Das betroffene Kraftwerk ist mit zwei vertikalen Francis-Turbinen mit einer Leistung von jeweils ca. 14 MW ausgeschattet. Für eine Neuentwicklung hat sich der Betreiber vor allem deshalb entschieden, da aufgrund massiver Erosionsschäden an den Laufschaufeln und am Außenkranz (siehe Abbildungen unten) dringend ein wiederholter Laufradtausch ansteht.

Als Basis für die Neuentwicklung des Laufrades, welches in den bestehenden Leitapparat integriert werden und auf das bestehende Saugrohr aufgesetzt werden musste, wurde eingangs eine CFD-Studie der originalen Turbinenkonfiguration durchgeführt. Während ein Großteil der Turbinenkomponenten auf Basis von Bestandszeichnungen nachmodelliert werden konnte, wurde das Francis-Laufrad vor Ort gescannt und somit der Grundstein für die geometrische Rekonstruktion gelegt.

Mit dem Ziel die Relativgeschwindigkeit im Schaufelkanal im Bereich des Außenkranzes zu reduzieren und gleichzeitig den Turbinenwirkungsgrad zu erhöhen, wurde unter Verwendung geeigneter Design-Tools und mittels wiederholter CFD-Simulationen Schritt für Schritt ein neues Laufraddesign entwickelt. Die folgende Abbildung zeigt die mittels CFD berechnete Druckverteilung im Design-Punkt des optimierten Laufrads.

Mit Hilfe des neuen Laufraddesigns, welches mit einer HVOF-WOC-Beschichtung versehen wird, soll nicht nur die Standzeit verlängert, sondern auch die Jahresarbeit der Anlage erhöht werden.