Detaillierte Strömungsberechnung eines Turbinensaugrohres

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Caroline Kopp
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1 Detaillierte Strömungsberechnung eines Turbinensaugrohres Josef Michelcic und Sandro Erne Institut für Energiesysteme und Thermodynamik, Forschungsbereich Strömungsmaschinen Getreidemarkt 9/302, A-1060 Wien, 1 Einleitung In der Stromerzeugung durch Wasserkraft wird kinetische Energie des Wassers mittels einer Wasserturbine in mechanische Energie umgewandelt, welche für den Antrieb eines Generators zur Stromerzeugung notwendig ist. Die Energieumwandlung sollte möglichst effektiv sein, damit keine Wasserenergie unnötig verloren geht. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen sämtliche Bauteile einer Turbinenanlage optimal ausgelegt werden. Das Saugrohr, das die Verbindung zwischen Laufradaustrittsquerschnitt und Unterwasserbecken bildet, ist ein wesentlicher Bauteil einer Turbinenanlage. Die Hauptaufgabe eines Saugrohres ist es die kinetische Energie der Strömung am Laufradaustritt in Druckenergie umzusetzen. Macht man sich die Druckrückgewinnung nicht zu Nutze, geht die restliche kinetische Energie als Wärme verloren. Ungünstige Strömungsverhältnisse im Saugrohr führen zu beträchtlichen Wirkungsgradverlusten der Turbine. Durch eine verbesserte Saugrohrströmung kann somit mehr Energie zurückgewonnen werden. 2 Aufgabenstellung Aufgabe der Arbeit von [2] war es, an einem Modellsaugrohr eine detaillierte Strömungsberechnung mittels OpenFOAM durchzuführen. Für die Netzerstellung wurde mit ANSYS ICEM CFD ein Tool entwickelt, um möglichst schnell bei einer geringfügigen Geometrieänderung des Saugrohres ein neues Netz zu erhalten. Mit diesem Tool konnte der Einfluss der Position der Mittelwand im Enddiffusor demonstriert werden. Als Gütekriterium für die Saugrohrberechnungen wurde der Beiwert des Druckrückgewinnens C p herangezogen. 1

2 3 Berechnung mit drallfreier Zuströmung und drallbehafteter Zuströmung Für die Berechnungen wurden Messergebnisse dreier Lastfälle herangezogen. Die gemessenen Strömungskomponenten am Saugrohreintritt dienten als Eintrittsrandbedingung. Für den Vergleich mit einer drallfreien Zuströmung wurde die Messung im Optimum herangezogen. Für die Bestimmung der turbulenten kinetischen Energie am Eintritt wählte man einen Tubulenzgrad von 5%. Die Berechnungen wurden mit dem k-ɛ-turbulenzmodell durchgeführt. Für die Berechnung des C p -Wertes wurde in OpenFOAM ein Zusatzprogramm programmiert, das den Verlauf des Druckrückgewinnungsfaktors für beliebig viele Bilanzflächen N errechnet, siehe Abbildung 1. Der Druckrückgewinnungsfaktor errechnet sich lt. Abb. 1 nach [3] C pn = p ref da 1 A n p n da A ref A n 2 mit n = 1 N ρ 2 1 A ref v ref da A ref Abbildung 1 zeigt den C p -Wert für drei Zuströmungsarten aufgetragen über die normierte Länge L L 0. Man erkennt, dass der größte Teil der Druckrückgewinnung im Anfangsdiffusor erreicht wird. Sogar im Krümmer ist bei drallbehafteter Zuströmung im Optimum eine beträchtliche Druckrückgewinnung festzustellen. Abbildung 1: Bilanzflächen Cp-Tool Die drallfreie Zuströmung erreicht bereits im Anfangsdiffusor einen geringeren C p -Wert als die drallbehafteten Zuströmungen, was einen Rückschluss auf den positiven Einfluss des 2

3 Eintrittdralls auf die Druckrückgewinnung zulässt. Im Krümmer kommt es bei der drallfreien Zuströmung und jener mit geändertem Drall zu Ablösungen. Wie man in der Auswertung erkennen kann, geschieht dies bei der drallfreien Zuströmung bereits sehr früh. Für die drallbehaftete Strömung mit geändertem Drall ist erst in der Mitte des Krümmers ein Unterschied der Druckrückgewinnung gegenüber der Strömung im Optimum festzustellen. Der Anfangsdiffusor ist ein normaler Kreisdiffusor, aus diesem Grund macht es für die Druckrückgewinnung keinen Unterschied, ob die Zuströmung einen positiven oder negativen Drehsinn aufweist. Erst durch die Unsymmetrie im Krümmer wird die Abhängigkeit des Drehsinns auf den C p -Wert für das berechnete Saugrohr deutlich. Die drallbehaftete Zuströmung im Optimum bewirkt eine nahezu gleichmäßige Anströmung der beiden Enddiffusorhälften, während die Strömung mit geändertem Drall großteils durch eine Hälfte des Enddiffusors fließt. Würde das Saugrohr vollkommen symmetrisch sein, so wäre das Ergebnis für eine Zuströmung mit positiven und negativen Drehsinn identisch. Der Vergleich in Abbildung 2 zeigt, dass das vorliegende Saugrohr für eine drallbehaftete Zuströmung mit positiven Drehsinn am besten geeignet ist. Abbildung 2: Vergleich Druckrückgewinnung 4 Berechnung mit verschiedenen Lastfällen Für die Arbeit lagen Messungen der Geschwindigkeiten am Saugrohreintritt für drei Lastfälle vor. Die Messdaten für die Lastfälle Teillast, Optimum und Volllast dienten als Eintrittsrandbedingung. Die Berechnungen wurden wieder mit dem k-ɛ-turbulenzmodell durchgeführt. Für die drei Lastfälle wurde der C p -Wert als Kenngröße für die Druckrückgewinnung 3

4 ermittelt. Der C p -Wert für das Optimum ergab 86.2%. In der Volllast fällt der C p -Wert bereits 68.22% und in der Teillast sogar auf 48.7%. 5 Berechnung mit verschobener Mittelwand Um den Einfluss der Mittelwandposition auf die Druckrückgewinnung zu untersuchen, wurde die Mittelwand parallel zur ursprünglichen Lage in beide Richtungen verschoben. Die Mittelwand ist gegenüber dem Eintrittsmittelpunkt versetzt, aus diesem Grund wurde diese für die erste Berechnung um 93.8mm nach rechts in die rechte Enddiffusorhälfte verschoben. Als Eintrittsrandbedingung für die Vergleichsrechnungen diente das gemessene Geschwindigkeitsprofil im Optimum. Das Ergebnis war eine leichte Verbesserung gegenüber der ursprünglichen Mittelwandposition um 0.7. Es wurden noch 3 weitere Berechnungen mit verschoberer Mittelwand durchgeführt. Die Auswertung der Berechnungen ergab, dass die Position der Mittelwand einen Einfluss auf den C p -Wert hat. Das beste Ergebnis konnte bei einer Verschiebung um 43.8mm nach rechts erzielt werden. Der C p -Wert liegt hier gegenüber der Mittelwand im Ursprung um 0.9 höher. 6 Versuchsaufbau zur Untersuchung der Saugrohrströmung Das simulierte Saugrohr wird zukünftig für Messungen im Hydraulischen Labor des Institutes für Energietechnik und Thermodynamik aufgebaut. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine geeignete Zuleitung für das Saugrohr im Labor gesucht. 6.1 Auswahl einer Zuleitung für das Saugrohr Variante 1 Diese Variante der Zuleitung wurde zuerst ausgesucht, weil sie für die Installation im Labor den kürzesten Weg zum Saugrohr bedeuten würde. In Abbildung 3 ist die Anordnung für Variante 1 abgebildet. Die bestehende Rohrleitung ist grün eingefärbt und eine neue Rohrleitung als Verbindung zum Saugrohr blau. Man erkennt darauf, dass die Strömung über 4

5 einen T-Abzweig zum Saugrohr geleitet wird. Die Berechnung wurde für einen Durchfluss von Q = 0.45 m3 s aufgesetzt. Abbildung 3: Versuchsaufbau - Variante Variante 2 Die zweite Variante der Zuleitung besteht aus einem längeren Rohrleitungssystem und die Strömung muss nicht wie bei Variante 1 eine 90 Umlenkung in einem T-Abzweig machen. In Abbildung 4 ist der Versuchsaufbau für Variante 2 abgebildet. Die bestehende Rohrleitung ist wieder grün eingefärbt und die neu Rohrleitung blau. Wie bei Variante 1 wurde diese Berechnung ebenfalls mit einem Durchfluss von Q = 0.45 m3 s durchgeführt. Abbildung 4: Versuchsaufbau - Variante Vergleich Variante 1 mit Variante 2 In Abbildung 5 wird verdeutlicht, dass Variante 2 die weit bessere Zuleitung für das Saugrohr darstellt. Man kann bei Variante 1 erkennen, dass sich am OUTLET eine lokale Zone mit einem hohen Geschwindigkeitsanteil bildet. Variante 2 weist dagegen eine nahezu vollkommen ausgeprägte turbulente Rohrströmung auf. 5

Abbildung 5: Geschwindigkeitsprofil am OUTLET Variante 1 & 2 7 Zusammenfassung und Ausblick Mit den Erkenntnissen aus dieser Arbeit und mit dem programmierten Tool für die Netzerstellung und die

6 Abbildung 5: Geschwindigkeitsprofil am OUTLET Variante 1 & 2 7 Zusammenfassung und Ausblick Mit den Erkenntnissen aus dieser Arbeit und mit dem programmierten Tool für die Netzerstellung und die Auswertung des Druckrückgewinnungsfaktors, wurde für weiterführende Arbeiten eine gute Basis geschaffen. Durch den Einbau eines Gleichrichters in der Zuleitung, könnte eine verbesserte Zuströmung erreicht werden. Eine Simulation des Gleichrichters wäre mit einem porösen Medium möglich. Weiters könnte mit einer Drallvariation am Saugrohreintritt der C p -Wert noch erhöht werden. In weiterer Folge werden Untersuchungen angestellt, die unter Verwendung anderer Turbulenzmodelle die Position der Strömungsablösung genauer erfassen sollen. Literatur [1] Chihab, W.: Experimentelle und theoretische Untersuchung des Saugrohres einer Kaplanturbine, Universität Stuttgart, IHS, Diss., 1993 [2] Michelcic, J.: Detaillierte Strömungsberechnung eines Turbinensaugrohres, TU Wien, Institute for Energy Systems and Thermodynamics, Diplomarbeit, [3] Nilsson, H.: Some Experiences on the Accuracy and Parallel Performance of Open- FOAM for CFD in Water Turbines. Springer Berlin / Heidelberg, 2007, S

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