Im Gegensatz zu Flusskraftwerken, bei denen die Durchflussmengen nicht frei wählbar sind, kann bei Speicherkraftwerken der Durchfluss an die Schwankungen des Strombedarfs angepasst werden. Peltonturbinen eignen sich besonders für die Elektrifizierung von hochgelegenen Wasserspeicherreservoirs. Die potenzielle Energie wird an den Düsen in kinetische Energie umgewandelt, in dem Wasserstrahlen mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden. Diese treffen auf Becher, welche an einem Laufrad moniert sind, auf. Dieses Laufrad wird dabei in Rotation versetzt und diese Rotationsenergie wird vom Generator in elektrischen Strom umgewandelt. Dieses Impulsturbinenkonzept ermöglicht Energieumwandlung mit hohem Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich. Daher eignen sich Peltonturbinen hervorragend zur effizienten Stabilisierung des Stromnetzes bei unterschiedlichsten Schwankungsamplituden der Stromnachfrage.

Die Becherform des Laufrades ist ausschlaggebend für den Wirkungsgrad, welche den Wasserstrahl möglichst um 180º umlenken soll. In der Auslegung der Becherform wird eine kreisförmige Wasserstrahlform mit einem bestimmten Durchmesser angenommen. Die Abweichung der tatsächlichen Wasserstrahl von der idealen Form generiert daher Verluste beim Energieumsatz am Becher und wird daher als Wasserstrahlqualität quantifiziert. Zuleitungen zu den Düsen bestehen oft aus Krümmern und Verzweigungen. Dort werden Strömungsstrukturen erzeugt, welche in weiterer Folge den Wasserstrahl verformen. Bei großen Wasserstrahlverformungen und -abweichungen kann der Wirkungsgrad um 0,5 % bis 2 % sinken. Daher ist es essenziell die Strömungen in Zuleitungen von Peltonturbinen mit numerischen Methoden zu simulieren und durch Zuflussoptimierung die Wasserstrahlqualität zu erhöhen.

Literatur in diesem Zusammenhang

• B.Semlitsch, (2024), Effect of inflow disturbances in Pelton turbine distributor lines on the water jet quality. International Journal of Multiphase Flow, Vol. 174, 104786
• F. J. J. Hahn, B. Semlitsch und C. Bauer, (2022), On the numerical assessment of flow losses and secondary flows in Pelton turbine manifolds. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 1079 012082

Schütze sind hydraulische Bauwerke, die Wassermassenströme regulieren, um ein stromabwärtiges Objekt zu schützen. Der Durchfluss, der Schütze unterströmt, entwickelt instationäre Strömungsphänomene, welche unter Umständen die Absperrungsstruktur zum Schwingen und Vibrieren anregen können. Vibrationen können Schütze beschädigen und damit die Lebensdauer der Wehranlagen reduzieren. Das Versagen durch Bruch eines Schützes kann Überschwemmungen hervorrufen. Daher ist es wichtig, die Schwingungen des Schützes auf ein Minimum zu verringern.

Kraftvolle Vibrationen entstehen aufgrund der Kopplung von Kräften, die durch instationäre Strömungvorgänge und die Schwingung des Schleusentors erzeugt werden. Das periodische Ablösen von Strömungswirbeln erzwingt die Verschiebung des Schleusentors, das aktiv als Masse-Feder-Dämpfer-System reagiert. Die Bewegung des Schleusentors erzeugt wiederum ablösende Wirbel. Wenn die Frequenz der Wirbelablösung nahe an der Eigenfrequenz des Schleusentors liegt, tritt Resonanz auf.

Um die Eigenfrequenz der Schützaufhängung aus dem Frequenzbereich der hydrodynamischen Anregung zu verschieben (z.B. durch Anbringung zusätzlicher Massen), muss dieser bestimmt werden. Genauso wie die Vorhersage der Eigenfrequenz realer Wehranlagen herausfordernd ist, ist auch die zuverlässige Bestimmung der Wirbelablösefrequenz am Schütz eine komplexe Aufgabe.
In der vorliegenden Untersuchung werden strömungsmechanische Simulationen durchgeführt, um das Phänomen der Wirbelablösung genau zu Charakterisieren. Die Studie des Strömungsverhaltens dient im speziellen dazu, den Anregungsvorgang der Schwingung durch die Strömungsablösung zu verstehen und den Frequenzbereich zu bestimmen.

Damit werden die folgenden Fragen in diesem Projekt beantwortet:

1) Welches Strömungsphänomen verursacht die Schwingungen im Schützen?
2) In welchem Frequenzbereich werden diese Schwingungen angeregt?
3) Kann dieses Strömungsphänomen verhindert oder seine Auswirkungen gemindert werden?

Die grundlegende Forschungsfrage des FFG Projekts AxFeeder ist, herauszufinden, wie Mehrfach-Abzweigeleitungen von Peltonturbinen ausgeführt werden müssen, damit in allen Betriebszuständen ähnliche Strömungsbedingungen in der Zuleitung und den Injektoren herrschen und eine bestmögliche Strahlqualität erreicht werden kann.

Hierzu wurde in einem ersten Projektschritt eine umfassende, auf numerischen Strömungssimulationen beruhende Parameterstudie potentiell in Frage kommender Hydrauliken von Mehrfachabzweigeleitungen mit axialer Zuströmung durchgeführt. Die Erkenntnisse dieser Parameterstudie werden nun genützt, um eine detaillierte Strömungs-/Schwingungs- und strukturmechanische Analyse des Gesamtsystem durchzuführen. Dazu werden vom Projektteam skalenauflösende Simulationen auf dem Vienna Scientific Cluster (VSC) durchgeführt und parallel dazu ein Laborprüfstand entworfen, an welchem experimentelle Untersuchungen durchgeführt werden.

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Im Rahmen des Förderprogrammes Bridge II des FFG wurden numerische Untersuchungen an einer reversiblen Modellpumpturbine durchgeführt. Generell treten in Pumpturbinen außerhalb des optimalen Betriebspunktes komplexe Strömungen im gesamten Strömungsgebiet auf, welche eine große Herausforderung an die numerische Strömungsmechanik darstellen. Die Untersuchung beschäftigt sich mit der numerischen Simulation rotierender Strömungen unter Berücksichtigung von Systemrotation und Stromlinienkrümmung mit den Reynolds gemittelten Navier-Stokes Gleichungen (RANS). Für die Strömungssimulationen wurde die frei verfügbare CFD Software OpenFoam verwendet. Die weiterentwickelte Software wurde anhand generischer Strömungsprobleme, sowie mit Messergebnisse welche an der Modellpumpturbine durchgeführt wurden, validiert.

Mit Unterstützung des Klima Energie Fonds wurde eine modulare Pumpturbine für dezentrale Energiespeicherung entwickelt. Mit diesem Konzept wird versucht die Lücke im Leistungsbereich der Kleinwasserkraft bei der Anwendung von Pumpspeicherkraftwerke zu schließen. Das Anwendungsgebiet in einem Leistungsbereich von 500kW-15MW ermöglicht es, beim Ausbau von Smart Grids sowie bei dezentralen Netzen mit hohem volatilen Einspeisungsanteil regulierend eingesetzt zu werden. Speziell im niedrigen Leistungsbereich gibt es konkrete Anwendungsgebiete für die Verwendung vorhandener Strukturen wie Beschneiungs- und Beregnungsbecken oder stillgelegte Kohleminen als Wasserspeicher. Darin liegen auch die klaren Vorteile gegenüber Großprojekten. Der Platzbedarf sowie der Eingriff in die Natur sind gering und deshalb ist mit höherer Akzeptanz der Bevölkerung und schnelleren Bewilligungsverfahren zu rechnen. Ein weiterer Vorteil stellt die modulare Bauweise in Verbindung mit der Verwendung von standardisierten Bauteilen dar. Hierdurch können die Kosten auf der Maschinenseite gesenkt werden, was den Einsatz im bisher unwirtschaftlichen Bereich der Kleinwasserkraft ermöglicht.

* Bei der obigen Abbildung handelt es sich um eine „S-förmige“ Instabilität (S-Schlag) im Turbinenbetrieb einer reversiblen Pumpturbine nahe der Leerlaufdrehzahl bei konstanter Leitradöffnung Δγ.

Aus diesem Grund werden derzeit am IET entsprechende Untersuchungen und Erhebungen durchgeführt, welche die Ursachen des S-Schlages behandeln und den Einfluss verschiedenster Parameter auf das Kennlinienverhalten von reversiblen Pumpturbinen untersuchen sollen, um das instabile Phänomen zu ergründen und daraus etwaige Kompensationsmaßnahmen zur Stabilisierung der Charakteristika abzuleiten.

Der Wechsel von fossilen Energieträgern hin zu erneuerbaren Energien birgt Herausforderungen für die Energieversorgungssysteme. Im elektrischen Netz muss zu jedem Zeitpunkt Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage herrschen. Die zum Teil unvorhersehbare Einspeisung von Wind und Photovoltaik verursacht einen erhöhten Bedarf an Regelenergie. Durch die zusätzlich stark gesunkenen Energiepreise liefern Betreiber von Pumpspeicherkraftwerken vermehrt lukrative Regelenergie anstatt aufgrund der Differenz zwischen Spitzen- und Basisstrompreis ihren Profit zu generieren. Da Regelenergie Ungleichgewichte im Netz ausregelt, ist diese sehr stark schwankend und beansprucht somit das Kraftwerk hoch dynamisch. Übliche Einschränkung für die Flexibilität der Anlage ist das Verzögern und Beschleunigen der Wassersäule in den, zum Teil mehrere Kilometer langen, Rohrleitungen und den damit einhergehenden Druckänderungen.

Im Projekt GSG-Grid-H wird versucht die Flexibilität der Anlagen an ihre Grenzen zu führen, ohne gleichzeitig Komponenten der Anlage zu überbeanspruchen. In weiterer Folge werden die entwickelten Modelle im Rahmen eines anderen Projektes mit dem elektrischen Verbundsystem verknüpft,  Störungen im Netz, wie zum Beispiel der Ausfall eines Kraftwerks, und deren Interaktion mit Pumpspeicheranlagen untersucht.

Im Rahmen des COMET K-Projektes GreenStorageGrid werden im Teilprojekt PSP-LowLoad die modernen Anforderungen an die Turbinen und Pumpturbinentechnologie aufgrund des steigenden Energiebedarfs und der immer stärker belasteten elektrischen Netze untersucht. Um möglichst schnell Energie aus dem elektrischen Netz aufnehmen bzw. einspeisen zu können, werden Turbinen und Pumpturbinen immer häufiger und über längere Zeit in tiefer Teillast betrieben. Durch ungünstige Strömungsverhältnisse führt dies zu einem sehr unruhigen Betriebsverhalten der Anlage und zu hohen Anforderungen an die Festigkeit beanspruchter Bauteile wie Laufrad, Leit- und Stützapparat. Der Schwerpunkt dieser Untersuchung liegt auf einer Methodenentwicklung, die es erlaubt, die auftretenden Strömungsvorgänge in der Maschine zu berechnen und die mechanischen Auswirkungen auf die Bauteile zu erfassen.

Im Rahmen des Förderprogrammes Bridge des FFG wurden numerische und experimentelle Untersuchungen an einer Prototyp Francis Turbine durchgeführt. Die heute Betriebsweise dieser Anlagen und Koppelung an den Regelenergiemarkt, führt zu einer erhöhten Belastung der Komponenten. Deshalb wurden detaillierte Prototyp Messungen durchgeführt um in Kombination mit der Maschinendiagnose und nummerischen Simulationen Aufschluss über das Verhalten der Anlage zu geben.   Darüber hinaus war es das Ziel  die vorhandene Methodik zur Lebensdaueranalyse zu verbessern und um einen Ansatz für transiente Vorgänge zu ergänzen.