Einfluss der Anbringung von Rippen an der Wand des Saugrohrs auf die Druckpulsation einer Francis-Turbine

Als schnell reagierende erneuerbare Energiequelle dient Wasserkraft üblicherweise der Spitzenlast- und Frequenzregelung im Stromnetz. Dies bedeutet, dass Wasserkraftanlagen häufig unter Bedingungen betrieben werden müssen, die von den Auslegungsbedingungen abweichen. Die Analyse zahlreicher Testdaten zeigt, dass bei Betrieb der Turbine unter nicht-ausgelegten Bedingungen, insbesondere im Teillastbereich, starke Druckpulsationen im Saugrohr auftreten. Die niedrige Frequenz dieser Druckpulsationen beeinträchtigt den stabilen Betrieb der Turbine sowie die Sicherheit der Anlage und der Werkstatt. Daher ist die Druckpulsation im Saugrohr Gegenstand intensiver Forschung in Industrie und Wissenschaft.

Seitdem das Problem der Druckpulsation im Saugrohr einer Turbine erstmals 1940 angesprochen wurde, haben sich zahlreiche Wissenschaftler mit dessen Ursache befasst und diese diskutiert. Gegenwärtig geht man allgemein davon aus, dass die Druckpulsation im Saugrohr unter Teillastbedingungen durch die spiralförmige Wirbelbewegung im Saugrohr verursacht wird. Die Existenz des Wirbels führt zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung im Querschnitt des Saugrohrs. Mit der Rotation des Wirbelbandes rotiert auch das asymmetrische Druckfeld, wodurch sich der Druck periodisch ändert und die Druckpulsation entsteht. Der spiralförmige Wirbel entsteht durch die Drallströmung am Saugrohreintritt unter Teillastbedingungen (d. h. es existiert eine tangentiale Geschwindigkeitskomponente). Das US Bureau of Reclamation führte eine experimentelle Studie zum Drall im Saugrohr durch und analysierte die Wirbelform und das Verhalten bei unterschiedlichen Drallgraden. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das spiralförmige Wirbelband im Saugrohr erst ab einem bestimmten Drallgrad ausbildet. Der spiralförmige Wirbel entsteht unter Teillastbedingungen. Daher treten starke Druckpulsationen im Saugrohr nur dann auf, wenn das relative Durchflussverhältnis (Q/Qd, wobei Qd der Auslegungsdurchfluss ist) im Turbinenbetrieb zwischen 0,5 und 0,85 liegt. Die Frequenz der Hauptkomponente der durch den Wirbelgürtel hervorgerufenen Druckpulsation ist relativ niedrig und entspricht dem 0,2- bis 0,4-Fachen der Laufraddrehzahl. Je kleiner Q/Qd ist, desto höher ist die Frequenz der Druckpulsation. Tritt Kavitation auf, vergrößern die im Wirbel entstehenden Luftblasen den Wirbel und verstärken die Druckpulsation, wodurch sich auch deren Frequenz ändert.
Unter Teillastbedingungen kann die Druckpulsation im Saugrohr eine erhebliche Gefahr für den stabilen und sicheren Betrieb des Wasserkraftwerks darstellen. Um diese Druckpulsation zu unterdrücken, wurden zahlreiche Ideen und Methoden vorgeschlagen. Die Anbringung von Rippen an der Saugrohrwand und die Belüftung des Saugrohrs sind zwei wirksame Maßnahmen. Nishi et al. untersuchten experimentell und numerisch den Einfluss von Rippen auf die Druckpulsation im Saugrohr, einschließlich der Auswirkungen verschiedener Rippentypen, der Rippenanzahl und ihrer Montagepositionen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anbringung von Rippen die Exzentrizität des Wirbels und damit die Druckpulsation deutlich verringern kann. Auch Dmitry et al. stellten fest, dass die Anbringung von Rippen die Amplitude der Druckpulsation um 30 bis 40 % reduzieren kann. Die Belüftung des Saugrohrs über die zentrale Öffnung der Hauptwelle ist ebenfalls eine wirksame Methode zur Unterdrückung der Druckpulsation. Wir haben auch versucht, das Saugrohr durch kleine Löcher auf der Oberfläche der Finne zu belüften, und festgestellt, dass sich mit dieser Methode die Druckpulsation unterdrücken lässt und die benötigte Luftmenge sehr gering ist, wenn die Finne nicht funktioniert.