Entwicklung und Einsatz eines numerischen Modells zur systematischen Untersuchung wirkungsgradrelevanter hydraulischer Phänomene und Sensitivitäten bei Hochleistungswasserrädern

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Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines numerischen Modells zur systematischen Untersuchung der wirkungsgradrelevanten hydraulischen Phänomene und Sensitivitäten am Energiekonverter Hochleistungswasserrad und darauf aufbauend, die Herleitung wirkungsgradhebender konstruktiver Maßnahmen bei der Gewinnung regenerativer Energie. Die Analyse des Wirkungsgrades radgetriebener Wasserkraftanlagen erfolgt mit Berücksichtigung der diesem Antriebssystem inhärenten Wechselwirkung von Wasserströmung und drehbar gelagertem Schaufelrad. Erprobte numerische Verfahren zur Lösung der gekoppelten instationären und nichtlinearen Modellgleichungen sollen für die umfassende Untersuchung der hydraulischen Phänomene und Sensitivitäten bei der Interaktion von Hydro- und Strukturmechanik einer modernen Wasserradanlage mit rotierfähigem Schaufelrad ertüchtigt werden und anschließend die Optimierung von Struktur- und Strömungsgeometrie in Bezug auf induzierte hydraulische Verluste ermöglichen. Zunächst soll die Modellierung und numerische Simulation des mechanischen Gesamtsystems einer Wasserradanlage als gekoppeltes Mehrfeldproblem erfolgen und die Strömungsvorgänge sowie dynamische Einwirkungen auf die Konstruktion identifiziert und analysiert werden. Der Einfluss der Geometrie des Überfallschutzes, der Schaufelform und Spaltausführung auf die Effizienz der Anlage soll in Sensitivitätsstudien untersucht und wirkungsgradhebende Konstruktionsempfehlungen für moderne Wasserradtechnologien abgeleitet werden.