Digitalisierung
Die Realität nachbilden
Höhere Effizienz durch Strömungssimulation
Dr. Roland Jester-Zürker, Leiter Strömungsmechanik bei Voith Hydro, erläutert, wie sein Team mit Strömungssimulation die Effizienz von Wasserkraftturbinen und -generatoren analysiert und verbessert.
Für den erfolgreichen Betrieb von neuen Wasserkraftanlagen ist es entscheidend, dass vor der Fertigung möglichst genaue Prognosen darüber vorliegen, wie die Komponenten und Flüssigkeiten miteinander interagieren. Dr. Roland Jester-Zürker, Leiter Strömungsmechanik bei Voith Hydro, setzt auf CFD-Strömungssimulationen, um die Konstruktion von Anlagen zu erforschen, zu planen, zu optimieren und ihre Leistung zu maximieren.
Können Sie erklären, was CFD-Simulationen sind und welche Rolle sie bei Voith spielen?
Bei den CFD-Simulationen nutzt eine Gruppe geschulter Ingenieure eine Kombination aus leistungsstarker Hardware und Software, um die Strömung in unseren Anlagen vorherzusagen und zu analysieren. So können wir bereits in einer sehr frühen Phase der Konstruktion komplexe physikalische Zusammenhänge zuverlässig erforschen und auswerten. Das hilft uns, bei Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz unserer Produkte ein hohes Niveau zu erreichen. Wir können Dinge wie die Auswirkungen von geometrischen Abweichungen, Leistungsgrenzen im Betrieb oder die Beanspruchung von Bauteilen durch den Strömungsdruck virtuell testen. Die Fähigkeit, detaillierte und präzise Analysen am Computer auszuführen, reduziert auch den Bedarf an physikalischen Modellversuchen, was wiederum die Entwicklungszeit verkürzt und den Prozess für unsere Kunden schneller und kostengünstiger macht.
Sind physikalische Modellversuche weiterhin von Bedeutung?
Absolut. Die Validierung numerischer Ergebnisse ist gerade bei anspruchsvollen Strömungsregimen wie zum Beispiel Off-Design-Bedingungen entscheidend für die erforderliche Prognosegenauigkeit. Wir arbeiten eng mit unseren Kollegen im Hydrauliklabor des Forschungs- und Entwicklungszentrums Brunnenmühle in Heidenheim zusammen. Die enge Zusammenarbeit zwischen den Teams ist ein großer Vorteil – sie erhöht die Prognosegenauigkeit, beschleunigt den Planungsprozess und verbessert die Produktleistung.
Ist die gesamte Expertise intern vorhanden?
Um die Entwicklung zu beschleunigen, blicken wir mit externen Partnern wie dem Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen der Universität Stuttgart in die Zukunft. Mit Unterstützung des Instituts haben wir kürzlich eine der größten computergestützten Untersuchungen abgeschlossen, die jemals an einer Francisturbine durchgeführt wurden. Im Fokus der Untersuchung standen der Teillastbetrieb und seine Auswirkungen auf den Wasserdurchfluss durch das Saugrohr. Unser Hauptziel war es, einen CFD-Prozess mit einer höheren Prognosegenauigkeit zu entwickeln. Beim Teillastbetrieb ist dies allerdings sehr schwierig, dementsprechend hoch war auch der Aufwand. Extrem feine Gittermodelle mit mehr als 300 Millionen Knoten machten den Einsatz von 2.000 parallel arbeitenden Prozessoren erforderlich.
Untersuchen Sie auch Generatoren?
Auch Generatoren sind wichtig und wir setzen uns mit ihnen intensiv auseinander. Da es sich um elektromagnetische Maschinen handelt, bei deren Entwicklung die Strömungsmechanik nicht von primärer Bedeutung ist, gestalten sich Strömungsuntersuchungen komplizierter. Doch wir haben einen Prozess entwickelt, der die Luftströmung in einem kompletten Generator simuliert. So können wir uns anschauen, wie wir die Maschinen richtig kühlen, Energieverluste minimieren und die Wärmeübertragung optimieren. Außerdem können wir dadurch das gesamte Maschinenverhalten verbessern, die Lebensdauer verlängern und die Gesamtkosten minimieren.
Wie entwickelt sich die CFD-Technologie, und welche Änderungen zeichnen sich ab?
Eine der wichtigsten Annahmen bei CFD ist die Turbulenzmodellierung. Bisher gibt es kein allgemeingültiges Turbulenzmodell, doch wir erwarten, dass skalenauflösende Ansätze die Vorhersagegenauigkeit verbessern werden. Auch die Erhöhung des Detaillierungsgrades und die Einbeziehung multiphysikalischer Aspekte wird in naher Zukunft eine Aufgabe sein. Generell hat sich die Rechenleistung seit den Anfängen von CFD vor rund 30 Jahren deutlich verbessert. Wir kommen schneller zu genaueren Ergebnissen. Dadurch verkürzen sich natürlich die Entwicklungszyklen. Für die kommenden Jahrzehnte erwarten wir, dass sich diese Genauigkeit und Geschwindigkeit noch weiter verbessern werden.
Turbinenströmung
Prognosen darüber, wie Komponenten und Flüssigkeiten miteinander interagieren, sorgen für einen reibungslosen Betrieb.
Virtuelle Tests
Ermöglichen eine Verbesserung der Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz.
Wasserdurchflussanalysen
Die in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart durchgeführte Analyse war der Frage gewidmet, wie sich der Teillastbetrieb einer Turbine auf den Wasserdurchfluss durch das Saugrohr eines Wasserkraftwerks auswirkt.
Über 2000 Prozessoren und extrem feine Gittermodelle mit mehr als 300 Millionen Knoten kamen zum Einsatz.
Das Ergebnis:
Ein verbesserter CFD-Prozess mit genaueren Wasserdurchflussprognosen.