Optimale Strömungskontrolle in Francis-Wasserturbinen

Um auch in Zukunft ein stabiles Stromnetz zu gewährleisten, sind flexible Energiequellen erforderlich, um den volatilen Beitrag der wetterabhängigen erneuerbaren Energien wie Solar- oder Windkraft auszugleichen. Dazu sind Wasserkraftwerke aufgrund ihrer flexiblen Betriebsmöglichkeiten besonders gut geeignet. Die meisten Wasserkraftwerke arbeiten mit Francis-Turbinen, die nicht nur in optimaler Volllast, sondern auch in Teillast betrieben werden müssen, um die für das Stromnetz erforderliche Energiebilanz zu erreichen. Unter diesen Betriebsbedingungen tritt im Saugrohr stromab der Turbine eine großamplitudige Strömungsinstabilität auf, der sogenannte Precessing Vortex Core (PVC). Dieser kann in Resonanz mit dem Gesamtsystem treten und dadurch zu erheblichen Einbußen des Wirkungsgrades oder sogar zu einem Komplettversagen führen. Das Ziel dieses Projektes ist es deshalb, einen sichereren Betrieb des Teillastbereichs zu ermöglichen, indem der PVC durch Strömungskontrolle gedämpft oder unterdrückt wird. Rechts ist beispielhaft die helikale Struktur des PVC im Saugrohr eines Turbinenmodells abgebildet. Die Strömungsinstabilität wird hier aufgrund des Unterdrucks und der damit einhergehenden Kavitation im Zentrum des Wirbels sichtbar.

In diesem Projekt verwenden wir empirische Modenzerlegungen, die globale lineare Stabilitätstheorie und verwandte adjungierte Methoden, um Lösungen zur Strömungskontrolle zu entwickeln. Hauptziel ist es, eine Steuerungslösung zu entwickeln, die den PVC mit minimalem Energieaufwand dämpft oder unterdrückt. Die wichtigste Neuerung dieses Ansatzes im Vergleich zu früheren Kontrollversuchen besteht darin, dass die Methodik auf einem strengen theoretischen Framework basiert, das es ermöglicht, eine optimale Lösung für die Strömungskontrolle quantitativ abzuleiten. Die entwickelten Regelmethoden reichen von offenen und geschlossenen Regelkreisen bis hin zu Formoptimierung. Zur Charakterisierung der Strömungsdynamik unter natürlichen und kontrollierten Bedingungen werden experimentelle Messungen in Luft und Wasser sowie numerische Simulationen in Verbindung mit neuartigen empirischen Datenreduktionsstrategien durchgeführt.

Das Projekt profitiert von dem starken Hintergrund der Gruppe an der TU Berlin in der linearen Stabilitätstheorie und der Strömungskontrolle sowie von den ausgezeichneten experimentellen Einrichtungen und der Erfahrung der Gruppe am Institut für Thermophysik in Nowosibirsk, Russland, auf dem Gebiet der Francis-Turbinenströmungen.

Die Abbildung unten zeigt auf der linken Seite die Eigenmode des PVC, welche durch eine lineare Stabilitätsanalyse ermittelt wurde, im Saugrohr stromab der Turbine. Die zeitlich gemittelte Strömung wird anhand der Stromlinien visualisiert und verläuft von oben nach unten. Im Zentrum des Rohres sind starke Fluktuationen der Horizontalkomponente zu erkennen, welche die Präzession des PVC beschreiben. Auf der rechten Seite der Abbildung ist die adjungierte Mode des PVC zu sehen. Sie zeigt die Rezeptivität des PVC gegenüber periodischer Anregung an. Besonders hohe Rezeptivität herrscht somit unmittelbar am Ende der Rezirkulationsblase, welche sich im direkten Nachlauf der Turbine befindet.