Herzlich willkommen. Entwicklung und Strömungssimulation an einem Sicherheitsteil eines Wasserkraftwerks

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1 4. VPE Swiss Symposium für virtuelle Produktenwicklung Herzlich willkommen Entwicklung und Strömungssimulation an einem Sicherheitsteil eines Wasserkraftwerks Referent: MSc. FHO Alexander Gilgen Institutsleiter: Prof. Dipl.-Ing. ETH Jürg Meier Institutspartner: Prof. Dr. Dipl.-Ing. ETH Hanspeter Gysin Web: sitec.hsr.ch

2 Bemessung von Sicherheits-Abschlussorganen Masterthesis Alexander Gilgen Druckstossberechnung des gesamten Leitungssystems: Strömungsverluste Stationärer Fall (gleichbleibender Durchfluss) Verhalten der Strömung während dem Schliessvorgang Randbedingungen für die CFD-Strömungsberechnung CFD-Strömungsberechnung eines Kugelschiebers: Einwirkung der Strömung auf den Kugelschieber Relevante Grössen für die Druckstossberechnung Konstante Randbedingungen (Druck, Durchfluss, ) Zeitlich ändernde Randbedingungen Einsatz des High Performance Computer (HPC) der HSR Aktuelle und konforme Bemessungsmethode für Sicherheits-Abschlussorgane 2

3 Quelle: Masterthesis A. Gilgen Quelle: Masterthesis A. Gilgen Der Kugelschieber Was ist ein Kugelschieber? «Wasserhahn» eines Wasserkraftwerks Dient als zweites Element, um die Turbine sicher von der Druckleitung zu trennen Kugeliger Drehkörper im Innern führt eine Vierteldrehung aus der offenen in die geschlossene Stellung Layout eines Speicherkraftwerks Kugelschieber mit Schliessgewicht 3

4 Quelle: SITEC Vorgehen bei Bemessung eines Abschlussorgans 1. Bestimmung aller möglichen und relevanten Betriebsarten 2. Sammeln aller geltenden Normen 3. Berechnung des Leitungssystems stationär (ohne Abhängigkeit der Zeit) 4. Berechnung der Schliesscharakteristik mittels CFD 5. Berechnung des zeitabhängigen Strömungsverhalten im Leitungssystem (Druckstossberechnung) 6. CFD-Strömungsberechnung mit zeitlich ändernden Randbedingungen (aus der Druckstossberechnung) 4

5 Quelle: SITEC Betriebsarten des Kugelschiebers Schliessen bei vollem Turbinendurchfluss: Schliessen des Kugelschiebers bei maximalem Durchfluss durch die Turbine Einsatz des Kugelschiebers um Turbine sicher auszuschalten, bei Ausfall des Turbinenleitapparates oder der Turbinendüsen Höchste Belastungen, die zu Testzwecke provoziert werden können CFD-Strömungsanalysen ermöglicht es auf riskante Tests zu verzichten 5

6 Betriebsarten des Kugelschiebers Schliessen bei Rohrbruch: Absoluter Katastrophenfall Plötzliches Wegfallen des Leitungsstückes zwischen Kugelschieber und Turbine Trotz sehr grosser Belastungen muss die Funktion des Kugelschiebers gewährleistet sein Kann nicht getestet werden, daher ist eine Abschätzung nötig Gekoppelte Druckstoss- und CFD-Berechnung ermöglicht genaues Abschätzen und reduziert das Sicherheitsrisiko Quelle: YouTube Quelle: Wikipedia inspireme.lasoeurkaramazov.net Quelle: panoramio.com 6

7 Quelle: Masterthesis A. Gilgen Was ist ein Druckstoss? Schnelle Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit erzeugt Druckschwankungen Tritt beispielsweise beim Schliessen eines Wasserhahns auf Durch Zusammendrücken des Wassers und dehnen der Rohrleitung wird die Bewegungsenergie in Druckenergie umgewandelt Nach komplettem Anhalten der Wassersäule entsteht ein Ungleichgewicht der Energie wodurch es zu einer Schwingung kommt 7

8 Unfälle durch Druckstoss Rohrbruch durch Druckstösse Oigawa Power Station in Japan Quelle: Chaudhry, Applied Hydraulic Transients 8

9 Was ist Kavitation? Effekt, der strömungsabwärts eines Ventils oder an lokalen Hochstellen auftritt Durch zu starkes Absinken des Drucks verdampft das Wasser in der Leitung Bei Druckanstieg kollabiert die Dampfblase schlagartig Starke Schläge in der Leitung Quelle: YouTube 9

10 Quelle: Chaudhry, Applied Hydraulic Transients Quelle: deereault.com Unfälle durch Druckstoss Leitungen kollabiert durch Unterdruck Oigawa Power Station in Japan Druckleitung in den USA 10

11 Quelle: Masterthesis A. Gilgen Druckstossberechnung an Beispielanlage Was wurde Berechnet? Stationäres (zeitunabhängiges) Verhalten der Strömung im Leitungssystem Transientes (zeitabhängiges) Verhalten der Strömung bei Schliessen aller Kugelschieber bei vollem Betriebsdurchfluss Transientes (zeitabhängiges) Verhalten der Strömung bei Schliessen aller Kugelschieber im Rohrbruchfall Beispiel Kraftwerksanlage 11

12 Quelle: Masterthesis A. Gilgen Stationärer Zustand Aufbauen des Kraftwerklayouts Eingabe aller Verlustbeiwerte Berechnen des Gleichgewichtszustandes für den Betrieb Eingang in CFD-Modell Kugelschieber Ausgang aus CFD-Modell 12

13 CFD-Berechnung der Schliesscharakteristik Schliesscharakteristik Eingangsdruck : 67.8 bar Ausgangsdruck: 1.01 bar (Umgebungsdruck) Schliessgesetz: 60 Sekunden, linear Anzahl Netzelemente: ca Berechnungsdauer: ca. 30 Tage mit 24 Cores Strömungsrichtung Quelle: Masterthesis A. Gilgen 13

14 kq [-], kf [-] km [-] Validierung Vergleich mit Literaturwerten Sehr wenige Messwerte in der Literatur vorhanden Validierung des Modells nur im theoretischen Rohrbruchfall möglich Unterschiede zu Literaturwerten auf Grund von unterschiedlicher Drehkörpergeometrie Dimensionslose Kenngrössen für Kugelschieber Durchflusskoeffizient: kq = Momentkoeffizient: km = Kraftkoeffizient: kf = A Q 2 g H KS M D 3 ρ g H KS F RES D 2 ρ g H KS Genauigkeit akzeptiert Schieberstellung [ ] kf CFD kf Literatur kq CFD kq Literatur km CFD km Literatur

15 Stausee Kugelschieber Höhe [m] Dampfvolumen [m³] Abschaltung bei Rohrbruch Verhalten der Strömung über die Länge der Leitung Kavitation bei Knick in der Leitung Druckhöhe / Dampfvolumen Höhenkote Leitungslänge [m] 15

16 Abschaltung bei Rohrbruch Druck bergseitig des Kugelschiebers (Eingang in CFD-Modell): Durchfluss durch Kugelschieber (Ausgang CFD-Modell): 16

17 Schliessen im Rohrbruchfall Geschwindigkeitsverteilung bei Schliessvorgang Strömungsrichtung 17

18 Schlussfolgerungen Masterthesis Alexander Gilgen Gekoppelte Druckstoss- und CFD-Berechnung Grundsätzlich wäre es möglich das ganze Leitungssystem im CFD aufzubauen und mit Hilfe von Fluid-Struktur-Interaktion (Wasser beeinflusst Stahlrohr und umgekehrt) zu berechnen. Der Aufwand und die Berechnungszeit wäre jedoch unverhältnismässig gross. Durch den Einsatz einer gekoppelten Druckstoss- und CFD-Berechnung kann der Berechnungsaufwand massiv verringert werden, ohne Einbussen bei der Genauigkeit einzugehen. Die Resultate ermöglichen eine genaue Bestimmung der Einwirkungen (Kräfte, Momente, Druckverteilung, etc.) auf den Kugelschieber bei verschiedenen Betriebsarten. Aktuelle und konforme Bemessungsmethode für Sicherheits- Abschlussorgane mit tieferen Teilsicherheitsbeiwerten ohne Einbusse der Sicherheit! 18

19 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit 19

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