Untersuchung und Simulation selbsterregter Rotorschwingungen an Kaplan-Turbinen

In Kaplan-Turbinen können nach einem Lastabwurf starke, selbsterregte Rotorschwingungen beobachtet werden. Diese Schwingungen treten mit einer Frequenz nahe der Biegeeigenfrequenz des Wellenstranges auf und können zu schweren Beschädigungen der Turbine führen, z. B. zum Anstreifen des Rotors am Gehäuse oder zur Zerstörung der Lager. Vermutlich handelt es sich hierbei um eine fluid-induzierte Erregung, und als Ursache dieser Instabilität wird die Leckage-Strömung durch den Spalt zwischen der Schaufelspitze und dem Gehäuse vermutet. Es gibt zahlreiche Veröffentlichungen zu ähnlichen Effekten bei hydraulischen Komponenten wie Ventilen, Leitschaufeln oder Schleusentoren, jedoch wurde der Instabilitätsmechanismus bei Kaplan-Turbinen bisher nur unzureichend erforscht.

In der vorliegenden Arbeit wird die Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) zwischen der Leckage-Strömung an der Schaufelspitze und einem Kaplan-Rotor unter Verwendung eines vereinfachten dreidimensionalen Modells der gesamten Turbine mit Lagerung und Wellenstrang simuliert. Unter Verwendung des kommerziellen FSI-Solvers ANSYS MFX werden die bewegungsabhängigen, hydraulischen Kräfte am Laufrad untersucht. Auf diese Weise kann auch die Wirkungsweise des Instabilitätsmechanismus verdeutlicht und die Trägheit als Ursache nachgewiesen werden.

Die Simulation liefert eine Vorhersage des dynamischen Verhaltens des Rotors unter dem Einfluss der hydraulischen Kräfte. In diesem Zusammenhang wird der Einfluss wesentlicher Betriebs- und Geometrieparameter auf das Stabilitätsverhaltens einer Kaplan-Turbine bestimmt. Die Ergebnisse der Parameterstudie sollen im Falle auftretender Rotorschwingungen einen Beitrag zur Lösung dieses Problems leisten.