Adjungierten-basierte Entwicklung von optimalen Strömungskontrollen in Francis-Turbinen

Kontakt: Finn Lückoff, Jens Müller

Um auch in Zukunft ein stabiles Stromnetz zu gewährleisten, sind flexible Energiequellen erforderlich, um den intermittenten Beitrag der wetterabhängigen erneuerbaren Energien wie Sonnen- oder Windkraft auszugleichen. Dazu sind Wasserkraftwerke aufgrund ihrer flexiblen Betriebsmöglichkeiten besonders gut geeignete. Die meisten Wasserkraftwerke arbeiten mit Francis-Turbinen, die im Teillast- (und Volllastbetrieb) betrieben werden müssen, um die erforderliche Energiebilanz zu erreichen. Unter diesen Betriebsbedingungen wird im Saugrohr (draft tube) eine starke Drallströmung erzeugt, die eine helikale Wirbelstruktur, den sogenannten Precessing Vortex Core (PVC), erzeugt. Jüngste Entwicklungen in der linearen Stabilitätstheorie ermöglichen es, diese Struktur als eine global instabile Mode zu identifizieren, die durch einen hydrodynamischen Rückkopplungsprozess im Saugrohr der Turbine ausgelöst wird.

In diesem Projekt verwenden wir die globale lineare Stabilitätstheorie und verwandte adjungierte Methoden, um Lösungen zur Strömungskontrolle zu entwickeln, die auf diese Instabilität zugeschnitten sind. Hauptziel ist es, eine Steuerungslösung zu entwickeln, die den PVC mit minimalem Energieaufwand unterdrückt. Die wichtigste Neuerung dieses Ansatzes im Vergleich zu früheren Kontrollversuchen besteht darin, dass die Methodik auf einem strengen theoretischen Framework basiert, das es ermöglicht, eine optimale Lösung für die Strömungskontrolle abzuleiten. Die entwickelten Regelmethoden reichen von periodischen und konstanten Regelkreisen bis hin zu Formoptimierung. Zur Charakterisierung der Strömungsdynamik unter natürlichen und kontrollierten Bedingungen werden experimentelle Messungen in Luft und Wasser sowie numerische Simulationen in Verbindung mit neuartigen empirischen Datenreduktionsstrategien durchgeführt.

Das Projekt profitiert von dem starken Hintergrund der Gruppe an der TU Berlin in der linearen Stabilitätstheorie und der Strömungskontrolle sowie von den ausgezeichneten experimentellen Einrichtungen und der Erfahrung der Gruppe am Institut für Thermophysik auf dem Gebiet der Francis-Turbinenströmungen.

Publikationen:

J. S. Müller, M. Sieber, I. Litvinov, S. Shtork, S. Alekseenko, K. Oberleithner (2020). Prediction of vortex precession in the draft tube of a model hydro turbine using mean field stability theory and stochastic modelling. 30th Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, IAHR 2020.