Motivation
Der Einsatz von Francis Turbinen im Teillastbetrieb wird durch die wachsenden Ansprüche in der Energiewirtschaft immer häufiger notwendig. Dabei entsteht im Saugrohr ein rotierender Wirbelzopf, der zu ausgeprägten Druckschwankungen führt. Neben den negativen Einflüssen auf den Wirkungsgrad kann die Drehzahl des Wirbelzopfes die Eigenfrequenz von Kraftwerkskomponenten anregen und Schäden hervorrufen.
Um diese Vorgänge im Detail beherrschbar zu machen, werden Simulationen durchgeführt, für die hochpräzise Messungen als Referenz notwendig sind. Aufgrund der hohen Ansprüche an diese Messungen wird ein aufwendiger Messaufbau mit Geschwindigkeitsmessungen durch 2D Laser-Doppler-Anemometrie umgesetzt.
Aufbau des Versuchsstandes
Im Versuchskreislauf des Instituts wurde eine Modellturbine aufgebaut. An mehreren Positionen der Turbine sind Plexiglaselemente verbaut, um optischen Zugang zur Strömung zu gewährleisten, siehe Bild 1.
Besonderer Fokus liegt auf dem konischen Bereich des Saugrohres direkt unter dem Laufrad. Da hier die wichtigsten Erkenntnisse über das Verhalten der Strömung zu erwarten sind ist eine komplette Messebene vorgesehen, in der zweidimensionale Geschwindigkeitsdaten erfasst werden. Zur präzisen Positionierung der Messtechnik ist ein rotatorisches Traversierungssystem um den Konus installiert, mit dem sich der Messpunkt geometrisch exakt einstellen lässt.
Messung mit Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)
Ein Laser emittiert Licht in TEM00 Mode. Durch die mobile Sonde kann der Strahlfokus flexibel in der Strömung positioniert werden. Das reflektierte Licht der mitströmenden Partikel wird von einer Empfangsoptik verarbeitet. Aus den Signalspitzen (sogenannte „Bursts“) kann so die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt werden.
Für die Messungen wird ein Ar-Ion Laser verwendet. Ein optisches System teilt den Strahl in die zwei Hauptkomponenten (488nm und 514,5nm) und erzeugt jeweils einen zusätzlichen Strahl mit Frequenzverschiebung um 40 MHz. Die vier Strahlen ermöglichen die zeitgleiche Messung von zwei Geschwindigkeitskomponenten. LDA hat den entscheidenden Vorteil des optischen und damit störungsfreien Messprinzips.
Die Strömung im Saugrohr unterliegt mitunter periodischen Einflüssen, die bei der Messung berücksichtigt werden müssen. Die Messung wird mit geeigneten Maßnahmen an die periodischen Effekte synchronisiert.
