Optimierung Verteilrohr und Strahlqualität für eine Pelton-Turbine
Um Wirkungsgradverbessungen in einem Wasserkraftwerk in Tirol zu erzielen, wurde das Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen vom Betreiber beauftragt, folgende Untersuchungen durchzuführen:
- numerischen Simulation der IST-Situation,
- Verluste der Kraftwerksanlage im Bereich des Krafthauses,
- Möglichkeiten für eine Wirkungsgradverbesserung durch Strahlverbesserung und Verlustminimierung,
- Variante für den Anschluss der Maschinensätze an nur eine Druckrohrleitung.
Über zwei Druckrohrleitungen (DN 1250 mm, DN 1400 mm) werden 3 Peltonturbinen (einseitig an horizontaler Generatorwelle) betrieben. Diese beiden Druckrohrleitungen werden mit einem 180° Krümmer im Krafthaus miteinander verbunden.
Auswertung und Vorgehensweise
Die Analyse wird vollständig mittels Computational fluid dynamics (CFD) realisiert, wobei die Qualität der Leitung bis hin zum Laufrad auf zwei unterschiedliche Arten analysiert wird. Einerseits werden die Verluste bis zum Mundstück betrachtet, andererseits wird auf die erreichte Strahlqualität eingegangen. In Abbildung 40 sind die Auswerteebenen für die Strahlbeurteilung sowie der Aufbau der Düsen und Maschinensätze dargestellt.
Verluste bis zur Düse
Bei unterschiedlichen Lastfällen wurden die Geschwindigkeiten, Stromlinien und Totaldruck der Ausgangssituation analysiert. Die Lastfälle „3-Maschinenbetrieb bei Volllast“, „Ein-Maschinenbetrieb“ und „Ein-Maschinenbetrieb nur die oberen Düsen“ wurden untersucht.
Düse und Strahlqualität
Um die potentielle Energie verlustarm in kinetische Energie zu überführen ist eine Optimierung der Düse und damit verbunden der Strahlqualität von Bedeutung. In der Ausgangssituation stellt sich nach der Mehrfachkrümmung eine ungünstige Drallverteilung und somit Strahlqualität ein (Abb. unten). Der Strahl platzt in mehreren Bereichen auf und ist keinesfalls mehr optimal ausgebildet. Die optimierte Variante erzeugt einen Strahl, der (bedingt durch die letzte Krümmung) nur an einer Stelle aufplatzt. Dies passiert aufgrund von Sekundärströmungen, ansonsten ist jedoch die kreisrunde Form bestens ausgebildet.
Verlusthöhen
Die Verbesserung der optimierten Variante ist auch in den Verlusthöhen signifikant; so sind die Verluste in etwa halbiert worden. Ebenfalls ist eine gleichmäßigere Turbinenbeaufschlagung zwischen oberen und unteren Düsen erreicht worden.
