Saugrohrwirbelzopf

Das Saugrohr, welches einem Diffusor entspricht, ist eine wichtige Komponente von Wasserkraftturbinen. Es hat die Aufgabe kinetische Energie nach dem Laufrad in Druckenergie umzuwandeln, dies ergibt eine Steigerung der Fallhöhe am Laufrad. Eines der schwierigsten Probleme im Betrieb von Wasserkraftwerken, besonders bei Francisturbinen, ist das Auftreten eines Wirbelzopfs im Saugrohr unter Teillastbedingungen. Die Drehzahl des Wirbelzopfs verursacht starke rotierende Druckschwankungen, da der Druck im Wirbelkern sehr niedrig ist. Neben diesen rotierenden Druckschwankungen können bei Ellenbogensaugrohren synchrone Druckschwankungen auftreten, d.h. eine Schwankung des gesamten Druckniveaus bzw. des gemittelten Drucks im Saugrohreintrittsquerschnitt.
Die Frequenzen der Druckschwankungen sind relativ niedrig und können im Bereich der Eigenfrequenz der Wasserführung liegen. Wenn die Anregungsfrequenz des Saugrohrwirbelzopfs mit der Eigenfrequenz der Wasserführung zusammentrifft, kann dies zu nicht akzeptablen Druckamplituden führen.
Im Rahmen dieses Projekts erfolgen Messungen an einer Turbine mit geradem Diffusor, in verschiedenen Betriebspunkten (Teillast, Optimum und Volllast). Dabei wurden und werden instationäre Geschwindigkeits- und Druckmessung im Saugrohr, Kräfte und Momente auf das Laufrad, bei verschiedenen Betriebszuständen und unterschiedlichen Betriebspunkten gemessen. Mit den Messwerten wurde mit Hilfe einer Frequenzanalyse der Messungen nach einem Zusammenhang zwischen den Messwerten untersucht, um ein Triggersignal für die periodisch aufgelöste Messung zu erhalten. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt mit Particle Image Velocimetry (PIV) in verschiedenen Schnitten quer und längs zur Transportrichtung. Durch Kavitation im Diffusor wurde der Wirbelzopf Visualisiert. Der kavitierende Wirbelzopf wurde dann mit Videoaufnahmen und Fotos erfasst.

Versuchsaufbau

Der Pumpturbinenversuchsstand ist in den großen geschlossenen Kreislauf eingebaut. Der Kreislauf ist mit zwei Kreiselpumpen ausgestattet. Die Pumpen können je nach Anforderungen des jeweiligen Versuchs in Reihe oder parallel betrieben werden. Der Antrieb der Pumpen erfolgt durch einen drehzahlgeregelten Gleichstrommotor. In dem Versuch wird mit den Pumpen Wasser in den Oberwasserbehälter gefördert. Von dort strömt das Wasser durch eine Leitung zum Pumpturbinenmodell. Die Pumpturbine ist mit einem drehzahlgeregelten Motorgenerator ausgeführt. Als Saugrohr ist ein gerader Plexiglaskonus in die Pumpturbine eingebaut. Nach dem Plexiglaskonus ist eine gerade Rohrleitung mit einem Nenndurchmesser von 400 mm und einer Länge von ca. 2,4 m montiert. Danach wird das Wasser in den Unterwasserbehälter geleitet und fließt von dort durch einen magnetisch induktiven Durchflussmesser zurück zu den Pumpen (vgl. Abbildung 1). Der Unterwasserbehälter ist mit einem luftbeaufschlagten Dom ausgeführt, um das Druckniveau im Kreislauf variabel einstellen zu können.

In Abbildung 2 ist der Längsschnitt der Pumpturbine zu sehen. Mit dem mechanisch verstellbaren Regulierring kann die Leitradstellung eingestellt werden. Der gerade Diffusor ist aus transparentem Acrylglas gefertigt, um die Zugänglichkeit für die laseroptischen Messverfahren zu gewährleisten. Die Messung der dynamischen Kräfte und Momente auf das Laufrad erfolgt mit einer speziellen Messwelle an der das Laufrad befestigt ist.

Messung des Turbinenkennfelds

Vor dem Beginn der instationären Messungen wird für die Turbine das Kennfeld gemessen, um die Betriebspunkte der weiteren Untersuchung festlegen zu können. In Abbildung 3 ist das Muscheldiagramm des Einheitsdurchflusses über der Einheitsdrehzahl dargestellt. Die Messpunkte 1 bis 18 wurden für weitere Untersuchungen ausgewählt.

Visualisierung des Wirbelzopfs

Die Visualisierung des Wirbelzopfs erfolgt durch Kavitation im Wirbelzopfkern. Die Kavitation wird durch absenken des Druckniveaus im Kreislaufs und somit auch im Saugrohr erzeugt. Zusätzlich zur konstanten Umlauffrequenz des Wirbelzopfs ist für die Auswahl der Betriebspunkte der weiteren Messungen noch die Erscheinungsform des Wirbelzopfs entscheidend, da Messungen bei unterschiedlichen Wirbelzopfformen durchgeführt werden sollen. Unterschiedlichen Formen des kavitierenden Wirbelzopfs sind in den Fotos in Abbildung 4 zu sehen.

Instationäre Messung des Drucks an der Saugrohrwand

Der Druck an der Saugrohrwand wird mit piezoresistiven Druckaufnehmern erfasst. In Abbildung 5 ist die normierte Druckschwankung der Betriebspunkte mit optimaler Drehzahl bei verschiedenen Leitradöffnungen aufgetragen. Die Normierung erfolgt bei der Druckschwankung mit der Fallhöhe, beim Durchfluss mit dem Durchfluss im Optimum und bei der Frequenz mit der Drehzahl.

In Abbildung 6 ist die normierte Druckschwankung des Betriebspunkts Nr. 4 über der Zeit bzw. rechts über der Normierten Frequenz dargestellt.

Messung der instationären Kräfte und Momente auf das Laufrad

In Abbildung 7 ist links die normierte Radialkraft und rechts das normierte Kippmoment in x-Richtung dargestellt.

Phasenaufgelöste Messung der Strömungsgeschwindigkeiten

Die Messung der Geschwindigkeit im Saugrohr der Pumpturbine wird mit PIV und Laser Doppler Anemometry (LDA) durchgeführt. Für die Auswahl der Betriebspunkte für die phasenaufgelöste Geschwindigkeitsmessungen ist es wichtig das der Wirbelzopf mit einer konstanten Frequenz umläuft. Die Umlauffrequenz des Wirbelzopfs, die als treibende Frequenz der Strömungseigenschaften im Saugrohr gesehen werden kann, dient zur Zuordnung der Messwerte. Als Triggersignal wird ein Drucksignal verwendet. In Abbildung 8 sind Geschwindigkeitsfelder in einem Ausschnitt des Konus zu vier aufeinanderfolgenden Zeitpunkten abgebildet (Betriebspunkt Nr.4).

In Abbildung 9 ist eine Animation des Geschwindigkeitsfelds zu sehen. Die Abspielgeschwindigkeit der Animation ist ungefähr fünfzig mal langsamer in der Realität. Es handelt sich wieder um den Betriebspunkt Nr.4 mit dem dargestellten Ausschnitt der Abbildung 8. in Abbildfung 10 sind die zeitlich gemitteltenGeschwindigkeiten für fünf Betriebspunkte dargestellt.

Abbildung 10a: Gemittelte Geschwindigkeiten in Teillast-Betriebspunkt 4 und Teillast-Betriebspunkt 5