Betriebsübergänge von hydraulischen Strömungsmaschinen – ein neuer Versuchsstand

Durch die Zunahme von fluktuierenden Erzeugern bei der Stromproduktion tritt die Stabilisierung des elektrischen Netzes zunehmend in das Interesse der Forschung. Die Fragestellung inwieweit die Wasserkrafttechnologie in der Lage ist, Regelenergie in großem Maße in kürzester Zeit bereitzustellen, erfordert die Untersuchung des dynamischen Verhaltens von hydraulischen Maschinen. Für die Erforschung dieser transienten Betriebsänderungen wird ein neuer leistungsstarker und hoch flexibler Versuchsstand im Laboratorium des Institutes aufgebaut.

Der neue Versuchsstand wurde zusätzlich zu den bereits bestehenden Versuchseinrichtungen im Laboratorium am IHS als geschlossener Kreislauf aufgebaut. Der Versuchskreislauf ist druckseitig in der Druckstufe PN 25 und saugseitig in der Druckstufe PN 10 ausgelegt. Dabei ist der überwiegende Teil der Rohrleitungen mit einem Nenndurchmesser DN 500 ausgeführt. Der Aufbau des Kreislaufs und die räumliche Lage der Komponenten ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Versuchstand besteht aus zwei Pumpeneinheiten, die entweder einzeln, parallel oder seriell geschaltet werden können, um einen möglichst breiten Betriebsbereich abdecken zu können. Mit diesem Aufbau kann der mögliche Betriebsbereich am Prüfling eine Fall- bzw. Förderhöhe bis zu ca. 140 m Wassersäule und einen maximalen Volumenstrom von mehr als 1 m³/s erzielen.

Die Pumpen sind saugseitig mit dem in Längsrichtung verstellbaren Unterwasserkessel über Rohrleitungen verbunden. Der Unterwasserkessel ist mit einem luftbeaufschlagten Dom ausgeführt, um den statischen Druck für Kavitationsuntersuchungen gezielt einstellen zu können. Dabei ist eine Vakuumpumpe an den Dom angeschlossen um das Druckniveau unter Umgebungsdruck absenken zu können. Zusätzlich besteht ein Druckluftanschluss um das Druckniveau anheben zu können.

Auf der Druckseite sind die Pumpen über einen Rohrleitungsstrang mit dem Oberwasserkessel verbunden. In diesem Rohrleitungsstrang ist ein magnetisch induktiver Durchflussmesser (IDM) für die Volumenstrommessung eingebaut. Der in der Höhe und in Querrichtung verstellbare Oberwasserkessel ist ebenfalls mit einem Dom ausgeführt. Der Oberwasserkessel hat auf der einen Stirnseite den Anschluss für die Rohrleitung von den Pumpen. Auf der anderen Stirnseite ist die Rohrleitung bzw. der Zulauf zum druckseitigen Anschluss des Prüflings angebracht.

Der hydraulische Anschluss der Prüflinge erfolgt zwischen Ober- und Unterwasserkessel. Die Prüflinge können dabei an vier Betonsäulen befestigt und an einen drehzahlgeregelten Motorgenerator angeschlossen werden. Es sind beide Drehrichtungen wählbar, so dass ein Vierquadrantenbetrieb der Prüflinge möglich ist. Die im Turbinenbetrieb anfallende elektrische Energie wird in den Gleichspannungszwischenkreis eingespeist und von den gleichzeitig arbeitenden Antriebsmotoren der Pumpen aufgenommen.

Um eine flexible Betriebsweise zu gewährleisten, sind diverse Armaturen (in Abb. 1 hellblau dargestellt) installiert, die ein Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsweisen ermöglichen. Auffällig ist zusätzlich eine Bypassleitung mit einem weiteren IDM, die parallel zum Prüfling und damit ebenfalls parallel zu den Pumpeneinheiten eingefügt ist. Dieser Leitungsstrang kann beispielsweise dazu genutzt werden, um einen Prüfling im Pumpbetrieb untersuchen zu können. Aus Gründen der Energieeffizienz des Versuchsstandes ist in dieser Leitung eine Energierückgewinnungsturbine eingebaut, welche ebenfalls in den Gleichspannungszwischenkreis einspeisen kann. Parallel zu dieser ist ein weiterer kurzer Strang mit Ringkolbenschieber aufgebaut. Durch diesen Rohrleitungsstrang mit Energierückgewinnungsturbine und Ringkolbenschieber werden die Betriebsmöglichkeiten des Versuchsstandes sehr flexibel erweitert.

Wie bereits erwähnt ist neben der Untersuchung der instationären Strömungseigenschaften von Betriebspunkten auch die Untersuchung von transienten Betriebsübergängen ausgelegt (vgl. Abb.2). Da sowohl die Betriebspumpen als auch die Energierückgewinnungsturbine und die Ringkolbenschieber während des Betriebes gezielt geregelt bzw. gesteuert werden können, ist mit dieser Anordnung eine Replikation von transienten Betriebsübergängen der Prototypanlage am Prüfling möglich. Dies beinhaltet Start- und Stoppvorgänge, aber beispielsweise auch Betriebsübergänge von Pump- in Turbinenbetrieb und insbesondere auch umgekehrt. Alle Strömungsmaschinen können drehzahlvariabel betrieben werden und so sind alle vier Betriebsquadranten am Prüfling einstellbar.

Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG und dem Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg sowie der Universität Stuttgart für die finanzielle Förderung dieses Forschungsgroßgerätes.