Bestimmung der Klappenbeiwerte für die Unterwasserklappe einer Francisturbine

Im hydraulischen Kurzschluss werden in einem Speicherkraftwerk sowohl die Pumpe als auch die Turbine simultan an einem Wellenstrang betrieben. Die Gründe hierfür sind die schlechten bis nicht vorhandenen Regeleigenschaften einer Speicherpumpe. Wird nicht die gesamte von der Pumpe aufnehmbare Leistung aus dem Übertragungsnetz benötigt, kann die Differenzleistung von der besser regelbaren Turbine abgearbeitet werden. Beim gleichzeitigen Betrieb von Pumpe und Turbine ergibt sich ein anderes Zusammenspiel von Anlage und hydraulischen Maschinen als beim separaten Betrieb, und es kann in Ausnahmefällen zu einer Rückwärtsdurchströmung einer Francis-Turbine kommen. Somit kommt es vor, dass auch die im Kraftwerk vorhandenen Abschlussorgane der Turbine in beide Strömungsrichtungen durchflossen werden. Um eine sichere und ordnungsgemäße Funktion der Verschlussorgane in allen Betriebssituationen zu gewährleisten, muss deren hydraulisches Verhalten in all diesen Betriebszuständen bekannt sein.

Das Institut wurde mit der Ermittlung der Klappenbeiwerte für Durchfluss und Drehmoment der Unterwasserklappe der Francis-Turbinen eines Speicherkraftwerks beauftragt. Im Zuge dieser Messungen soll der Verlauf dieser Klappenbeiwerte als Funktion der Klappenöffnung ermittelt werden. Die Klappe wurde dabei in einem Modellmaßstab von 1:13 im 4 Quadranten - Prüfstand des Instituts für Hydraulische Strömungsmaschinen eingebaut und vermessen. Zusätzlich wurde auch das Kavitationsverhalten der Modellklappe untersucht. Zunächst mussten eine Modellklappe und deren Implementierung in den Versuchskreislauf konstruiert werden. Die Konstruktion des Klappengehäuses wurde dabei fast ausschließlich aus Plexiglas gefertigt, um die Strömungssituation vor allem im Kavitationsbetrieb zu visualisieren.

Da die Klappe aufgrund Ihrer Bauart eine sehr hohe Exzentrizität aufweist, ergeben sich stark unterschiedliche Klappenbeiwerte vor allem für das Drehmoment für die beiden unterschiedlichen Durchströmungsrichtungen. Das Kavitationsverhalten wurde nicht nur messtechnisch sondern auch umfassend fotographisch dokumentiert.