Aigner, Detlef

Haas, Robert

Ismael, Bashar

Opitz, Rüdiger

German

Hydraulic Engineering Repository

Conference Paper, Published VersionIsmael, Bashar; Aigner, Detlef; Haas, Robert; Opitz, Rüdiger3D-hydronumerische Untersuchungen der Energie -Vernichter-Kammer des WKW TharandtDresdner Wasserbauliche MitteilungenZur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technischeHydromechanikVerfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/103294Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Ismael, Bashar; Aigner, Detlef; Haas, Robert; Opitz, Rüdiger (2017): 3D-hydronumerischeUntersuchungen der Energie - Vernichter-Kammer des WKW Tharandt. In: TechnischeUniversität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik (Hg.):Bemessung im Wasserbau - Klimaanpassung, Untersuchungen, Regeln, Planung,Ausführung. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 58. Dresden: Technische UniversitätDresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik. S. 393-402.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Technische Universität Dresden – Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik 40. Dresdner Wasserbaukolloquium 2017 „Bemessung im Wasserbau“      D3  Saal 5  D3Sal 3D-hydronumerische Untersuchungen der Energie-Vernichter-Kammer des WKW Tharandt Bashar Ismael Detlef Aigner Robert Haas Rüdiger Opitz Das seit 1926 bestehende Wasserkraftwerk (WKW) Tharandt gehört zum Wasserver-sorgungssystem der Wilden Weißeritz für das Wasserwerk Coschütz, das die Stadt Dresden mit Wasser versorgt. Es besteht aus den Trinkwassertalsperren Lehnmühle und Klingenberg mit den Wasserkraftwerken Klingenberg, Dorfhain und Tharandt sowie ei-nem umfangreichen Stollensystem für die Überleitung des Rohwassers. Die Energiege-winnung in der zum Energieversorger ENSO Energie Sachsen Ost AG gehörenden Wasserkraftanlage WKW Tharandt erfolgt mit zwei Francisspiralturbinen (Baujahr 1926, Firma Voith). Bei Stilllegung oder Ausfall erfolgt der Energiehöhenabbau von etwa 72 mWS über eine Energievernichterkammer (EVK). Nach einer Sanierung der Energievernichtungsanlage (EV) wurde die Technische Universität Dresden vom Be-treiber, der DREWAG NETZ GmbH Dresden, mit der Durchführung von hydraulischen Untersuchungen zur Optimierung der sanierten EV beauftragen. Ein Teil der Untersu-chungen, die 3D-hydronumerische Untersuchung der Energievernichterkammer soll in diesem Beitrag vorgestellt werden.  1 Hydraulisches System des WKW Tharandt Der Zulauf zu den Turbinen des WKW Tharandt erfolgt über das Wasserschloss Tharandt, mit der Druckrandbedingung des Wasserstandes, durch eine fast 300 m lange 1200’er Stahlleitung mit Zementmörtelauskleidung. Bei Stillstand der Turbinen erfolgt der Abzweig des Wassers zur EVK von der 1200’er Lei-tung über eine Stahlleitung DN800. Vor der EVK wird der Wasserstrom über ein Hosenrohr aufgeteilt und gelangt einerseits von der Südseite und andererseits gegenüber von der Nordseite in die EVK. Die Einstellung des Volumenstromes erfolgt über zwei ringförmige Ventile, indem die Kolben beider Düsen synchron verschoben werden und damit eine ringförmige Öffnung vergrößern oder ver-kleinern. Ein ringförmiger Belüftungsspalt nach jeder Düse saugt bei Unterdruck Luft an und belüftet den sich bildenden Ringstrahl. Dieser prallt dann innerhalb der Kammer von beiden Seiten auf ein Prallblech und verteilt sich allseitig. In der Kammer bildet sich eine hochturbulente Wasser-Luft-Strömung aus. Dieses System, entwickelt von der Firma Voith, ist in dieser Konfiguration einzigartig. Durch eine Entlüftungsleitung am Zustieg an der Oberseite der EVK erfolgt die Entlüftung. Das Wasser wird durch die EVK über eine EVK-Leitung seitlich am Unterwasserkanal der Turbinen vorbei bis zur Zuleitung zur Dükerleitung, die Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 58 – 40. Dresdner Wasserbaukolloquium 2017 „Bemessung im Wasserbau“ 395      D3  Saal 5  D3Sal Der Prallteller innerhalb der EVK ist durch angeschweißte Bleche gehalten, die sternförmig angeordnet sind. Sie schließen sich an ein Rohr an, dass an der Düse ansetzt und etwa 0,5 m den Strahl umschließt und führt. Am Kopf der Kammer befindet sich ein Einstiegsdom von dem seitlich das Entlüftungsrohr DN200 ab-geht und durch die Vorkammer horizontal ins Freie geführt wird. Seitlich an der Sohle der EVK setzt die EVK-Leitung DN800  an, die seitlich am Unterwasser-kanal vorbei in die Kammer vor der Dükerleitung geführt wird bzw. direkt in diese einmündet. Der direkte Anschluss ist allerdings geschlossen, so dass eine Ableitung der voll geöffneten EV-Leitung immer in den Freispiegelkanal er-folgt.    Nach dem Abschalten der Turbinen erfolgt das Öffnen der Düsen an der EVK. Jede Düsenstellung entspricht einem festgelegten Durchfluss. Mit der Verschie-bung der Kolben öffnen sich die Düsen und das Wasser strömt in die EVK. Der bei geschlossenen Düsen mit dem Unterwasserkanal und dem Druck in der Kammer ausgespiegelte Wasserstand in den Belüftungsleitungen sinkt bei Dü-senöffnung wegen der großen Geschwindigkeit und dem entstehenden Unter-druck ab und es kommt zum Ansaugen von Luft. Der belüftete Strahl mit Ge-schwindigkeiten bis über 40 m/s gelangt in die EVK, wo er durch die Vermi-schung mit der Luft, durch Strahlausbreitung und –umlenkung an Energie ver-liert.  Ein Teil der Luft sammelt sich im oberen Teil der Kammer und wird durch die Entlüfterleitung ausgetragen. Ein anderer Teil gelangt mit dem Wasser in die EV-Leitung und wird mit dem Wasser in den Unterwasserkanal abgeleitet.   3 3D-hydronumerische Simulation 3.1 Aufbau der 3D-Modelle Entsprechend der Vorgaben erfolgte der Aufbau der Volumenmodelle als Ge-samtmodell vom Eintritt in das Hosenrohr zur Verteilung der Zuströmung vor den Düsen über die EVK und die Energievernichterleitung bis zum Ende des Einlaufbauwerkes. Neben dem Gesamtmodell mit einer Zellenanzahl von etwa 9 Millionen Elemen-ten wurde ein reduziertes Modell der EVK mit etwa 2 Millionen Elementen vor allem für die stationäre Berechnung erstellt. Mit ihm wurden u.a. die Düsen-kennlinien bestimmt.  Die Modelle wurden als 2-Fluidmodelle mit den Medien Wasser und Luft definiert.   Als Randbedingung für den Einlauf wurde anfangs der Durchfluss und später eine Druckrandbedingung gewählt. 396 3D-hydronumerische Untersuchungen der Energie-Vernichter-Kammer des WKW Tharandt     Abbildung 3:  3D-Gesamtmodell der EVK mit Zuleitung und EV-Leitung Die Randbedingung für die Belüftungsrohre und das Entlüftungsrohr war der Luftdruck und für den Auslauf der Wasserstand im Unterwasserkanal als Druck-randbedingung bzw. eine festgelegte Druckrandbedingung. Die Rauigkeit der Wände des Modells, die hier eine untergeordnete Rolle spielte, wurde als glatt angenommen. Für die Berechnung wurde ein k-ε-Turbulenz-Modell verwendet und für die zwei Fluiden wurde der Phasenübergang als Mixtur-Modell defi-niert.  Abbildung 4:  reduziertes Modell der EVK mit Düsen, Entlüftung und verkürztem Auslauf-rohr 398 3D-hydronumerische Untersuchungen der Energie-Vernichter-Kammer des WKW Tharandt    Andererseits kann man für jede Düsenstellung eine Düsenkennlinie (Düsen-KL Abbildung 5) erstellen, diese ergibt sich aus dem Zusammenhang zwischen Durchfluss Q, effektiver Düsenfläche DA   und damit maximaler Geschwindig-keit   in der Düse, den sich ausbildenden Unterdruck in der Düse HS und der teilweisen Rückumwandlung der Geschwindigkeit in Druck in der EVK. Dieser Zusammenhang ist aus Gleichung (2) ersichtlich, wobei unklar ist, welcher Un-terdruck in der Düse erzeugt wird, weil das wiederum durch die Belüftung und die Ausbildung der Belüftungsleitung stark beeinflusst wird (Abbildung (1)). Eindeutig ist allerdings, dass es sich um eine quadratische Funktion von Q han-delt, die für Q = 0 bei 0 bzw. bei - HEVK (etwa – 1,65 m) beginnt.    2 22 22 2EVK D EVK S EVK S EVKDQdH H H H H H Hg g A              (2) 3.3 Berechnung der Düsenkennlinien Im ersten Schritt der numerischen Simulation war es erforderlich, die Düsen-kennlinien zu ermitteln. Dazu wurden die Modelle mit den festgelegten Düsen-stellungen sowohl im Gesamtmodell als auch im verkürzten Modell berechnet. Die Randbedingungen, entweder Durchfluss oder Druck wurden dabei variiert. Die Ergebnisse dieser Simulationen untereinander verbunden ergeben im Dia-gramm die Düsenkennlinien. Die Schnittpunkte dieser Kennlinien mit der analy-tisch bestimmten Rohrleitungskennlinie stellen die Arbeitspunkte der Düsen dar. Das bedeutet, dass sich bei einer bestimmten Öffnung der Düse genau diese Druck- und Durchflussbedingungen des Arbeitspunktes einstellen. Damit war es möglich, mit diesen festgelegten Randbedingungen der Arbeitspunkte die nume-rischen Modelle zu berechnen.     Die Ausflussfläche der Düsen AD der einzelnen Kolbenverschlüsse ist Abhängig von der Kolbenbewegung dy und steht in engem Zusammenhang mit dem Durchfluss durch die Düse. Die durchflossene Fläche einer Düse kann als Mantelfläche eines Kegelstumpfes berechnet werden zu:     1 2 12DA r r a r dy sin cos dy sin                   (3) Damit ergibt sich aus der Kontinuitätsformel der Zusammenhang zwischen Durchfluss und Kolbenstellung. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft 58 – 40. Dresdner Wasserbaukolloquium 2017 „Bemessung im Wasserbau“ 399      D3  Saal 5  D3Sal  Abbildung 6:  Ermittlung der effektiven Ausflussfläche der Kolbenverschlüssen Einzige Unbekannte ist die Größe der Saughöhe HS an der Düse. Diese wurde aus den numerischen Versuchen ermittelt.     12 2 2 2D D SQ A g H H r dy sin cos dy sin                         (4) Wegen der allmählichen Strömungsverengung bei der Umströmung des Kolbens kommt es nur zu einer geringen bzw. keiner Strahleinschnürung und auch die Energieverluste im Kolben sind wegen der Beschleunigungsströmung vernach-lässigbar, so dass der Ausflussbeiwert µ in erster Näherung zu 1 gesetzt werden kann. 4 Ergebnisse der Simulationen Die Auswertung der Untersuchungen erfolgte in vielen Richtungen, wobei ins-besondere das Druckverhalten in der EVK, das Verhalten der Luft in der Kam-mer und der Eintrag der Luft ins Unterwasser sowie die maximalen Durchfluss-werte bei voller Kolbenöffnung für den Betreiber interessant waren.  4.1 Ermittlung der Druck- und Geschwindigkeitswerte Die Ermittlung der Druckverhältnisse und der Geschwindigkeiten erfolgte für die stationären  als auch die zeitabhängigen Berechnungen. Dabei wurden die Auswertungen entweder an definierten Punkten, entlang von Linien oder auf Flächen und Volumen dargestellt. Folgende zwei Beispiele zeigen die  Auswer-tung von Druck- und Geschwindigkeitsverläufen. 400 3D-hydronumerische Untersuchungen der Energie-Vernichter-Kammer des WKW Tharandt     Abbildung 7:  Darstellung des Druck- und Geschwindigkeitsverlaufes um den Kolben ent-lang einer Polylinie innerhalb der Strömung  Es zeigte sich, dass Unterdruck- und Geschwindigkeitsspitzen vor allem punkt-förmig am Düsenaustritt an der Düsenhülle auftraten und wegen der Belüftung kurz danach wieder abgebaut wurden (Abbildung 8).  Abbildung 8:  Stromlinien eingefärbt mit Geschwindigkeitswerten Für die Ermittlung der maximalen Druckbelastung in der Kammer war vor allem der zeitabhängige Druckverlauf (Abbildung 9) am Ausstiegsdom interessant. 402 3D-hydronumerische Untersuchungen der Energie-Vernichter-Kammer des WKW Tharandt    Die starke Turbulenz in der Kammer verhindert eine durchgängige Entmi-schung, so dass sehr viel Luft mit dem Wasser weitertransportiert wird.  4.3 Analyse der Funktionsweise der EVK Aus den Ergebnissen der numerischen Simulation konnten erstmals folgende Zustände dargestellt und analysiert werden: - Zusammenhang zwischen Abfluss und Kolbenstellung in den Düsen, - Belüftung des Strahls und Luftverteilung in der Kammer, - Turbulente Strömung in der Kammer, - Druckpulsation und damit Beanspruchung im Innern der Kammer, - Bereiche mit Kavitationsgefährdung, - Probleme des Luftaustrittes und  - Kräfte auf Bereiche der Kammer. 5 Zusammenfassung Mit der Zustandsanalyse mit Hilfe der numerischen Simulation konnten an-schaulich die Vorgänge in der EVK dargestellt und besser verstanden werden. Durch die Auswertung der Simulationen konnten bestimmte Analysen zur Luft-verteilung, zur Pulsation der Strömung, zur Innenbeanspruchung der Kammer, zur Druck- und Kraftverteilung durchgeführt werden und es wurde ein Einblick in die hydraulischen Vorgänge innerhalb der Kammer ermöglicht. Ein besonde-rer Dank gilt der DREWAG Netz GmbH für die Beauftragung und die Unter-stützung dieses Projektes.  Literatur Aigner, Detlef; Bollrich, Gerhard (2015): Handbuch der Hydraulik : für Wasserbau und Wasserwirtschaft. 1. Auflage. Berlin-Wien-Zürich : Beuth Verlag GmbH   Autoren:   Dipl.-Ing. Bashar Ismael  Prof. Dr.-Ing. habil. Detlef Aigner  TU Dresden Institut für Wasserbau und THM 01062 Dresden  Tel.: +49 351 4633 9279 E-Mail:   Bashar.Ismael@tu-dresden.de Dipl.-Ing. Robert Haas (M. Sc.) Dipl.-Ing. Rüdiger Opitz (Abt.-Ltr.)  DREWAG NETZ GmbH Anlagenmanagement Wasser Rosenstraße 32, 01067 Dresden  Tel.:  0351 20585 4946 Robert_Haas@drewag-netz.de 

3D-hydronumerische Untersuchungen der Energie - Vernichter-Kammer des WKW Tharandt

http://henry.baw.de/bitstream/20.500.11970/103294/1/42_Ismael-Aigner-Haas-Opitz_3D-hydronumerischeUntersuchungen.pdf

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