Vom Bundesamt für Energie gefördertes Forschungsprojekt
Die zunehmende Einbindung von Wind- und Solarenergie in das Stromnetz erhöht den Bedarf an Flexibilität. Dank ihrer Fähigkeit, ihre Leistung schnell anzupassen, spielen Wasserkraftwerke eine wesentliche Rolle beim Ausgleich des Netzes.
Diese größere Flexibilität bringt jedoch deutlich häufigere Starts, Stopps und Lastwechsel. Diese Übergangsbetriebsarten führen zu erheblichen hydraulischen und mechanischen Belastungen an Rädern, Wellen, Ventilen und anderen Maschinenkomponenten. Der TIPS-Bericht weist daher darauf hin, dass die Anzahl der Start-Stopp-Zyklen von einigen Zyklen pro Jahr in einem herkömmlichen Betrieb auf mehrere Hundert oder sogar mehr in einem hochflexiblen Betrieb ansteigen kann.
Die korrekte Vorhersage dieser Belastungen ist daher von entscheidender Bedeutung, um Flexibilität des Stromnetzes und Lebensdauer von Wasserkraftwerken.
Die Maschine und den gesamten Hydraulikkreislauf gleichzeitig simulieren
Bei einem transienten Ereignis kann die Hydraulikmaschine nicht unabhängig von ihrer Umgebung betrachtet werden. Die in der Turbine entstehenden Durchfluss- und Druckschwankungen breiten sich in den Leitungen aus, während die Reaktion des Hydraulikkreislaufs wiederum die Strömung in der Maschine beeinflusst.
Das TIPS-Projekt zielt darauf ab, diese Wechselwirkung durch die Kombination zweier sich ergänzender numerischer Ansätze darzustellen:
- SIMSEN, mit dem sich Rohrleitungen, Behälter und hydroakustische Phänomene der gesamten Anlage effizient in 1D darstellen lassen; ;
- ANSYS CFX, das in 3D in Bereichen eingesetzt wird, in denen eine detaillierte Beschreibung der Strömung erforderlich ist, insbesondere im Inneren der Turbine.
Die beiden Modelle tauschen während der Berechnung ihre hydraulischen Bedingungen mithilfe einer Methode aus, die 1D–3D-Co-Simulation. Das Ziel besteht darin, die Genauigkeit der CFD im Simulator beizubehalten und gleichzeitig die unerschwinglichen Kosten einer dreidimensionalen Simulation des gesamten Hydraulikkreislaufs zu vermeiden.
Dieses Projekt finanziert die Doktorarbeit von Mathieu Mettille.
Eine schrittweise validierte Methodik
Die Entwicklung erfolgt schrittweise, ausgehend von einem gut durchdachten akademischen Fallbeispiel bis hin zu realen Wasserkraftwerken.
Die erste Phase basiert auf einer Strömung um einen Halbzylinder, der in einer Rohrleitung angeordnet ist. Das periodische Ablösen von Wirbeln erzeugt Schwankungen, die die Eigenfrequenzen des hydraulischen Systems anregen können. Dieser Fall ermöglicht es somit, die Phänomene von hydroakustische Resonanz, mit oder ohne Kavitation.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Co-Simulation den Resonanzmechanismus korrekt nachbildet. Im kavitationsfreien Betrieb liefert insbesondere die Kombination aus einer 1D–3D-Kopplung und dem SAS-SST-Turbulenzmodell die beste Übereinstimmung mit den experimentellen Messungen.
Vom akademischen Fall zur industriellen Pumpturbine
Die Methodik wurde anschließend auf einen Fall aus der Industrie angewendet: Gruppe 5 des Kraftwerks in Z’Mutt, im Rahmen des Grande-Dixence-Projekts.
Diese umkehrbare Francis-Pumpenturbine ist mit einem Frequenzumrichter mit voller Leistung ausgestattet, der einen Betrieb mit variabler Drehzahl ermöglicht. Sie war bereits Gegenstand umfangreicher numerischer und experimenteller Untersuchungen im Rahmen des europäischen Projekts XFLEX Hydro, insbesondere in der Dissertation von Daniel Biner.
Während frühere Arbeiten auf einer Abfolge von nahezu stationären Betriebspunkten beruhten, zielt TIPS diesmal darauf ab, einen vollständigen Anlauf im Übergangsbetrieb simulieren, mit dynamischer Wechselwirkung zwischen der Maschine und den Leitungen.
Erste vollständige Co-Simulation eines Z’Mutt-Startvorgangs
Eine bidirektionale Co-Simulation 1D–3D–1D wurde umgesetzt: Die Pumpturbine wird mittels CFD modelliert, während die Zulaufleitung und der Ablaufkanal in SIMSEN dargestellt werden. Die hydraulischen Randbedingungen werden nicht mehr anhand von Messwerten vorgegeben, sondern im Verlauf der Simulation dynamisch berechnet.
Die ersten Ergebnisse sind sehr vielversprechend. Das Modell bildet die wichtigsten beim Anfahren gemessenen hydraulischen Größen korrekt ab: Durchfluss, Drehmoment, Eingangsdruck und Netto-Druckverlust, mit Nash-Koeffizienten von mehr als 0,95 für die meisten Variablen.
Auch die direkt an den Schaufeln des Laufrads gemessenen Drücke werden gut wiedergegeben: Der relative RMSE-Fehler beträgt weniger als 7 % an allen Messpunkten für den durchschnittlichen Verlauf der Druckbelastungen.
Die Schwankungen mit höheren Frequenzen werden hingegen nach wie vor unterschätzt, was darauf hindeutet, dass hinsichtlich des Gitters, der Zeitschrittweite und der Turbulenzmodellierung noch Verbesserungsbedarf besteht.
Auf dem Weg zu einsetzbaren digitalen Werkzeugen für den Ingenieurbereich
Die bisher erzielten Ergebnisse belegen die Machbarkeit eines Ansatzes, bei dem lediglich die hydraulisch komplexen Bereiche in 3D simuliert werden, während der Rest der Anlage durch wesentlich schlankere 1D-Modelle dargestellt wird.
Diese Strategie ermöglicht es, die numerische Komplexität im Vergleich zu einer vollständig dreidimensionalen Modellierung deutlich zu reduzieren, wobei eine Genauigkeit beibehalten wird, die für ingenieurtechnische Analysen als ausreichend angesehen wird. Damit stellt sie einen wichtigen Schritt hin zu einer zuverlässigen Vorhersage von transienten Belastungen und letztlich ihrer Auswirkungen auf die Lebensdauer der Bauteile dar.
Im weiteren Verlauf des Projekts soll die Robustheit der Kopplung weiter verbessert und die Methodik auf einen zweiten Fallbeispiel übertragen werden, nämlich eine Francis-Turbine, die anhand eines Modells an der’Universität Laval. Die Ergebnisse werden anschließend dazu dienen, Empfehlungen und bewährte Verfahren für die 1D–3D-Simulation von Übergangszuständen zu erarbeiten.
Eine wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen der Schweiz und Kanada
TIPS verbindet das Hydro Alps Lab, Hydropower Dynamics Engineering AG und Alpiq AG in der Schweiz an die Gruppe HEKI der Universität Laval in Québec. Diese Zusammenarbeit ermöglicht es, Fachwissen im Bereich der hydroakustischen Simulation mit Daten aus Vollmaßstabstests und Versuchen an Modellen zu kombinieren.
Insbesondere wurde ein Artikel über die Co-Simulation der Anläufe der Pumpturbine von Z’Mutt für die’IAHR-Symposium über Hydraulikmaschinen und -systeme 2026
