Aktive Kontrolle von Strömungsinstabilitäten in Francis Turbinen mittels linearer Stabilitätstheorie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Kilian Oberleithner
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Strömungs- und Kolbenmaschinen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429772199

Um auch in Zukunft ein stabiles Stromnetz zu gewährleisten, bedarf es flexibler Energiequellen, die den intermittierenden Anteil wetterabhängiger erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie ausgleichen. Dazu sind Wasserkraftwerke aufgrund ihrer flexiblen Betriebsfähigkeit sehr gut geeignet. Francis-Turbinen, welche in den meisten Wasserkraftwerke eingesetzt werden, müssen daher zunehmend in Teil- oder Volllast betrieben werden, um den erforderlichen (ausgleichenden) Energiebedarf bereitzustellen. Unter diesen Betriebsbedingungen entsteht im Saugrohr eine starke Drallströmung, wodurch eine dominante periodische Wirbelstruktur ausgebildet wird, die als Precessing Vortex Core (PVC) bezeichnet wird. Der PVC kann zu starken Druckschwankungen führen, welche im Resonanzfall den Betrieb der gesamten Turbine gefährden. Jüngste Entwicklungen in der linearen Stabilitätstheorie zeigen, dass der PVC als eine globale Stabilitätsmode beschrieben werden kann, die durch einen hydrodynamischen Rückkopplungsprozess im Saugrohr der Turbine entsteht. In diesem Projekt verwenden wir die globale lineare Stabilitätstheorie und zugehörige adjungierte Methoden, um neue Ansätze zur Strömungskontrolle zu entwickeln. Ziel ist die Unterdrückung des PVC bei minimalem Energieaufwand. Die wesentliche Innovation dieses Ansatzes im Vergleich zu bisherigen Kontrollmethoden besteht darin, dass die Methodik auf einem stringenten theoretischen Ansatz basiert, der es ermöglicht, eine optimale Kontrolle der Strömungsinstabilitäten abzuleiten. Diese Kontrolle wird zunächst an einem Wasserturbinenmodell mit Luft als Arbeitsmedium entwickelt und zum Ende des Projektes an einer wasserbetriebenen Turbinenanlage validiert. Die entwickelten Kontrollmethoden reichen von periodischer Anregung und konstantem Ausblasen bis hin zu Formoptimierung. Das Projekt ist in eine Grundlagen-Phase, eine Kontroll-Entwicklungsphase und eine Optimierungs-Phase gegliedert. Zur Charakterisierung des PVC unter natürlichen und geregelten Bedingungen werden experimentelle Messungen in Luft und Wasser sowie numerische Simulationen in Verbindung mit innovativen empirischen Modellreduktionsstrategien durchgeführt. Das Projekt profitiert von den bereits entwickelten Techniken auf dem Gebiet der Stabilitätstheorie und Strömungskontrolle an der TU Berlin als auch den exzellenten experimentellen Aufbauten und Erfahrungen auf dem Gebiet der Francis-Turbinenströmung am Insitut of Thermophysics in Novosibrisk.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Christian Oliver Paschereit
• Kooperationspartner: Professor Sergey Alekseenko, Ph.D., bis 3/2022; Vladimir Dulin, Ph.D., bis 3/2022; Dr. Ivan Litvinov, bis 3/2022; Rustam Mullyadzhanov, Ph.D., bis 3/2022; Sergey Shtork, Ph.D., bis 3/2022