Optimierung einer Kaplan-Turbine

auf Basis einer CFD-basierten Potentialermittlungsstudie

Im Herbst des vergangenen Jahres berichteten wir bereits von einer CFD-basierten Potentialermittlungsstudie, die für ein historisches Wasserkraftwerk im Auftrag eines großen deutschen Energieversorgers durchgeführt wurde (☛ zum Beitrag: Potentialermittlungsstudie für ein historisches Wasserkraftwerk).

Im Zuge dieser Studie wurden die Performancedaten einer Anlagenmessung, die schon mehrere Jahre zurückliegt, eindrucksvoll bestätigt. Auf Basis einer detaillierten Analyse der Strömungssituation wurden in weiterer Folge Optimierungsmaßnahmen abgeleitet und folgende drei unterschiedliche Optimierungsvarianten erprobt:

• Option 1: Flügeloptimierung unter Beibehaltung der bestehenden Nabe sowie der bestehenden Kontur des Turbinenmantels
• Option 2: Flügeloptimierung unter Beibehaltung der bestehenden Nabe, allerdings in Kombination mit einer NEUEN, erweiterten Kontur des Turbinenmantels
• Option 3: Entwicklung eines gänzlichen neuen Laufrades mit verkleinerter Nabe und erweitertem Turbinenmantel 

Erstellung der Optimierungsvarianten

Für diese drei Optimierungsvarianten wurden jeweils optimierte Kaplan-Laufräder entwickelt, mit denen eine numerische Ermittlung der Performance-Kurven bei Nennfallhöhe erfolgte. Im nächsten Schritt wurden unter Zuhilfenahme der Jahresganglinie und der Produktionsdaten der vergangenen Jahre das prognostizierte Jahresarbeitsvermögen sowie die prozentuelle Steigerung gegenüber der aktuellen Situation ermittelt. Diese Vorgehensweise diente als Basis der Entscheidungsfindung für die wirtschaftlichste Erneuerungsmaßnahme der Wasserkraftanlage.

Um die Umbaumaßnahmen so gering wie möglich zu halten und die Jahresarbeit dennoch maximieren zu können, entschied sich der Betreiber dazu, die bestehende Nabe und somit die Flügelanzahl beizubehalten, den mittlerweile stark in Mitleidenschaft gezogenen Turbinenmantel durch einen neuen und vergrößerten Mantel zu ersetzen, und ein maßgeschneidertes neues Laufrad anfertigen zu lassen (siehe Option 2).

Maßgeschneiderte Optimierung sorgt für mehr Wirtschaftlichkeit

Mit Hilfe der CFD-Simulation konnte gezeigt werden, dass sich der Spitzenwirkungsgrad damit um etwa 2.5 Prozentpunkte steigern und der kavitationssichere Durchfluss von etwa Q = 85 m³/s auf etwa Q = 95 m³/s je Turbine erhöhen lässt. Die finale Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ergab damit eine knapp 4%ige Steigerung des Jahresarbeitsvermögens.

Auf Basis dieser Studie hat sich der Betreiber mittlerweile entschieden, die erste der beiden Turbinen ab Ende 2025 umzubauen und somit auf den neuesten Stand der Technik zu bringen.

Bezogen auf den Bestpunkt bei Nennfallhöhe zeigen folgende Abbildungen einen Vergleich der Strömungssituation im Saugrohr und im Laufrad der Turbine mit der aktuellen Laufradversion (oben) sowie dem optimierten Laufrad (unten).

Durch eine maßgeschneiderte Optimierung des Kaplan-Laufrades konnte eine verbesserte Druckverteilung auf den deutlich gekürzten Laufschaufeln sowie eine ablösungsfreie Strömung im Saugrohr erreicht werden.