Entwicklung optimaler Turbinen für Kleinwasserkraftwerke

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1 Entwicklung optimaler Turbinen für Kleinwasserkraftwerke R. Schilling, S. Thum, A. Gantner, M. Hutter Lehrstuhl für Fluidmechanik TU München 16. Internationales Anwenderforum Kleinwasserkraftwerke Luzern/CH 19./20. September 2013

2 Inhalt 1 Einleitung 2 Entwicklung optimaler Reaktionsturbinen 2.1 Generierung einer konsistenten Datenbasis Analyse bestehender Daten Erzeugung fehlender Daten 2.2 Erzeugung eines Künstlich Neuronalen Netzes (KNN) 3 Auslegung und Dimensionierung einer Francis Turbine 4 Zusammenfassung und Ausblick

3 1 Einleitung Traditionelle Entwicklung von Kleinwasserkraftwerken Standardisierung von Großturbinen Anwendungsbereich m 3 /s 3 /s 50 kw P Tu Vor- und Nachteile Geringere Herstellungskosten aber Meist deutlich schlechtere Performances Diese Vorgehensweise ist heute kaum noch konkurrenzfähig Fazit Verbesserte Strategie für den heutigen Markt Hydro

4 Hydro Ziele Größtmögliche Energieeffizienz Bestmögliches Betriebsverhalten Lange Lebensdauer Geringere Herstellungskosten in Renewables Windturbinen Solaranlagen Konzept Übertragung der Erfahrung aus dem Großturbinenbau Nutzung der inzwischen reifen Technologie der Numerischen Simulation

5 2 Entwicklung optimaler Reaktionsturbinen Nutzung der Erfahrung mit Auslegung Entwicklung Herstellung Betrieb von Großturbinen Entwicklung einer Baureihe optimaler Turbinen Größtmögliche Wirkungsgrade im gesamten Anwendungsbereich (Q,H) Bestmögliches Betriebsverhalten aufbauend auf der Erfahrung und mit Hilfe der numerischen Werkzeuge Computer-gestützter Entwurf aller Bauteile Optimierung aller strömungsführenden Bauteile Minimale Verluste Festigkeit und Lebensdauer

6 2.1 Generierung einer konsistenten Datenbasis Analyse bestehender Daten Reduzierung der Daten auf Dimensionslose Größen, z.b. FT KT

7 2.1.1 Analyse bestehender Daten Laufradentwurf Francis Turbinen Konforme Abbildung Kaplan Turbinen Gittertheorie FT KT

8 2.1.1 Analyse bestehender Daten Vergleich von Strömungs- und Schaufelwinkel am Laufrad Anströmung: Inzidenzwinkel = 1 S1, meist kleiner Null Abströmung: Deviationswinkel = 2 S2, immer größer Null Konstruktion: S1,2 und S -Verlauf Theorie: 1,2 sowie und Systematik = Fn q opt = Gn q opt Erzeugung fehlender Daten Interpolation bzw. Extrapolation der empirischen Datensätze Konsistenzprüfung bei Extrapolation mittels Numerischer Simulation

9 2.1.2 Erzeugung fehlender Daten Extrapolation auf größere Schnellläufigkeiten n q opt Problem: Saugrohrentwurf als Funktion des Dralls der Laufradabströmung Beurteilung mit unterschiedlichen Definitionen von c p liefert sehr unterschiedliche Annäherung an das Optimum 1) Reine Flächendefinition ist völlig ungeeignet 2) Energetische Definitionen liefern bei FT: meist richtigen Trend KT: sehr gute Annäherung in Abhängigkeit vom Restdrall am Laufradaustritt Beurteilung mit den energetischen Saugrohrverlusten V,SR ist bei FT: nicht geeignet KT: relativ genau Nur die Analyse der bezogenen Saugrohrverluste (h VSR /H) und letztlich der bezogenen Gesamtverluste (h Vges /H) führt zu einer zuverlässigen Anpassung des Saugrohres an die Energieumsetzung im Laufrad

10 2.1.2 Erzeugung fehlender Daten Extrapolation auf größere Schnellläufigkeiten n q opt Problem: Saugrohrentwurf FT 60 KT 175

11 2.1.2 Erzeugung fehlender Daten Extrapolation auf größere Schnellläufigkeiten n q opt Problem: Saugrohrentwurf KT 175

12 2.2 Erzeugung eines Künstlich Neuronalen Netzes (KNN) Aufbau des KNN Basis ist Schnellläufigkeit n q und Laufraddurchmesser D=D 1a Speicherung Integralwerte im Optimalpunkt: Ganzzahlige Werte: Auf D 1a bezogene Geometriewerte: Wirkungsgradverläufe: Ergebnisse für Eingabe von (Q opt, H opt, n, P erf, h SAnlage, z b, T W ) Aufstellungspläne Kontrollen Drehzahl n möglichst groß wählen wegen der Generatorkosten, aber prüfen ob h S, krit > h S, Anlage, falls nicht, dann n bzw. n q opt entsprechend verringern P > P erf, falls nicht, dann n bzw. n q opt in den Optimalbereich n(n q ) verschieben

13 3 Auslegung und Dimensionierung einer Francis Turbine 3.1 Auslegung Eingangsdaten im Optimum: H = m z b = 600 münn Q = 16.0 m 3 /s T W = 15 C n = 600 1/min h s, Anlage = -6.5 m n q = /min P opt, erf 17.6 MW opt 93.4 % Systemantwort: D = m opt = 94.0 % h s, krit = -5.7 m > h s, Anlage P opt = kw > P opt, erf

14 3.2 Aufstellungspläne

15 3.2 Aufstellungspläne

16 4 Zusammenfassung und Ausblick Entwicklung eines umfassenden Systems Auslegung und Entwurf Nachrechnung und Optimierung von Reaktionsturbinen System liefert mit Hilfe des KNN in Sekunden die Wesentlichen Daten Aufstellungspläne der Turbine Mit geringen Modifikationen lässt sich dieses System unter Nutzung des hinterlegten Optimierungsmoduls auch für Großturbinen anwenden.

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