Masterarbeit von Aurélien Quarroz
In einer Pelton-Turbine spielt der Verteiler eine wesentliche Rolle: Er leitet das aus der Druckleitung kommende Wasser zu den verschiedenen Düsen, die das Laufrad versorgen. Die Qualität der Strömung in diesem Bauteil beeinflusst sowohl die hydraulischen Verluste als auch die Qualität der Strahlen, die auf die Schaufeln treffen.
Im Bereich der Kleinwasserkraft kommen zwei große Systemarchitekturen zum Einsatz. Die sogenannten Verteiler 90° bestehen aus Standard-Winkelstücken, T-Stücken und Rohren und haben den Vorteil, dass sie relativ einfach und kostengünstig herzustellen sind. Die Verteiler Spirale, die kompakter und aufwendiger konstruiert sind, zielen hingegen darauf ab, die Strömungsqualität zu verbessern, doch ihre Herstellung ist komplexer und kostspieliger. Bislang war der tatsächliche Nutzen dieser zweiten Lösung bei Turbinen mit einer Leistung von einigen hundert Kilowatt bis zu einigen Megawatt nur schwer zu beziffern.
Das Werk von Aurélien Quarroz, entstanden in Zusammenarbeit mit Jackfrucht-Luisier, hatte daher zum Ziel, diese beiden Architekturen numerisch zu vergleichen und Möglichkeiten zur Verbesserung des vom Unternehmen entwickelten Spiralverteilers zu ermitteln.
Das numerische Modell wurde zudem parametrisch konzipiert, um die Öffnungen der Einspritzdüsen ändern und verschiedene Betriebsbedingungen anhand derselben Berechnungskonfiguration analysieren zu können.
CFD als Konstruktionswerkzeug für die Kleinwasserkraft
Über den Vergleich zweier Geometrien hinaus liefert diese Arbeit vor allem eine Numerische Methode zur Analyse und Optimierung von Verteilern für Pelton-Turbinen mit geringer Leistung.
Er zeigt, dass die Leistung nicht allein anhand der Druckverluste bewertet werden kann: Auch die Struktur der Sekundärströmungen und deren Einfluss auf die Strahlen müssen berücksichtigt werden. Die Helizität erweist sich somit als relevanter Indikator für die Entwicklung künftiger Verteilergeometrien.
Die Arbeit vermittelt Jacquier-Luisier somit ein besseres Verständnis des hydraulischen Verhaltens seines Spiralverteilers und liefert konkrete Grundlagen, um dessen Optimierung fortzusetzen und Lösungen anzubieten, die auf die spezifischen Anforderungen der Kleinwasserkraft zugeschnitten sind.
