Experimentelle Untersuchung der „S-Schlag“-Instabilität von Pumpturbinen

Seit dem Januar 2011 wurde ein vom FFG gefördertes Projekt mit der Andritz Hydro GmbH durchgeführt, welches die Verbesserung des Stabilitätverhaltens von Pumpturbinen im Turbinenbetrieb zum Ziel hatte.

Durch den wachsenden Anteil der Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen benötigt das Stromnetz in Mitteleuropa eine stärkere Regulierung seines Energiegleichgewichts. Pumpturbinen spielen aufgrund ihrer kurzen Ein- bzw. Ausschaltzeiten (Lade- bzw. Entladevorgänge des Speichers) sowie Umschaltzeiten vom Pump- in den Turbinenbetrieb dabei eine wichtige Rolle und bieten wesentliche Vorteile, um kurzfristig auf die Erfordernisse des Verteilernetzes reagieren zu können.

Jedoch treten bei Pumpturbinen während des Synchronisationsvorgangs im Turbinenbetrieb oft Stabilitätsprobleme auf, welche in Form der Maschinencharakteristik zum „S-Schlag“ führen und den Prozess der Synchronisation verlangsamen oder ihn gar unmöglich machen. Kostspielige Nachbesserungen am Kraftwerk oder ein reduzierter Pumpturbineneinsatz sind die Folge. Erste CFD-Simulationen des S-Schlags zeigen eine Rezirkulation im Bereich des Laufradeintritts. Diese Rezirkulation erzeugt eine Laufrad-Leitrad-Interaktion, bei der die Sekundäreffekte die Durchströmung der Pumpturbine erschweren. Um die numerischen Resultate anhand eines experimentellen Versuchs verifizieren zu können, wurde ein Pumpturbinen-Modell am Prüfstand des Instituts aufgebaut und so adaptiert,dass die Strömungsvorgänge mittels PIV untersucht werden können.

Die Modell-Pumpturbine wurde am institutseigenen 4-Quadranten-Prüfstand in Kombination mit einem 200 kW-Motorgenerator und einem rückspeisefähigen Frequenzumrichter untersucht. Neben dem regulären Pump- und Turbinenbetrieb ermöglicht der Aufbau auch den sogenannten Durchbrenn- bzw. Turbinenbremsbetrieb. Im Übergang zu diesem stark teillastigen Betriebsbereich wurden die Strömungsvisualisierungen am Modell der Pumpturbine mittels PIV-Untersuchungen (Particle Image Velocimetry) durchgeführt. Unter Einhaltung auf Abnahmeversuche für Pumpturbinen bezogenen Normen (IEC 60193:1991) wurden Teile des Spiralgehäuses und 2 Leitschaufeln in Plexiglas ausgeführt, um einen uneingeschränkten optischen Zugang für die axialen, radialen und orthogonalen PIV-Untersuchungen (Mono und Stereo) zu ermöglichen. Die für die PIV-Messung notwendigen Tracer wurden während der Messung über druckseitig installierte Injektionspumpen als Wassergemisch eingebracht. Um für die PIV-Messung ungeeignete Partikel aus der Strömung zu entfernen, wurde auf der Druckseite des Pumpturbinenmodells ein 3-lagiger Filter mit einer Maschenweite von 0.5 mm installiert und überwacht. Sowohl die Lichtschnittoptik als auch die Kamera wurden aus schwingungstechnischen Gründen möglichst steif mit dem Pumpturbinenmodell verbunden. Verwendete PIV-Komponenten:

• Highspeed-Kamerasystem: Dantec 80C60 HiSense, 1280 x 1024 Pixel
• Laser-System: gepulster Nd:YAG-Laser, 532 nm, 15 Hz Wiederholrate
• Tracer: Polyamid-Partikel, 5-50µm, Dichte nahezu gleich wie Wasser

Die Konzentration der Partikel in der Strömung wurde mit Hilfe der Laserlichtschnittdicke und der Größe des Messvolumens abgeschätzt. Vorausgesetzt wurde eine Anzahl von 5 bis 10 Tracer-Partikel pro „Interrogation Area“. So wurde der Volumenanteil der Tracer-Partikel mit 45 ppm festgelegt. Mittels der Software Dantec Flow Manager V4.60 wurde die Maskierung gesetzt, die Fehlvektoren reduziert, und letztendlich wurde eine Kreuzkorrelation durchgeführt. Die Weiterverarbeitung und Untersuchung der gewonnenen Vektoren erfolgte in einem mit MATLAB selbstprogrammierten Auswerte-Tool.

Die Messkampagne umfasste 2 Laufräder mit jeweils 4 Messebenen, einer radialen und drei axialen. Hieraus ergaben sich 108 untersuchte Betriebspunkte. Da die Drehzahl des Laufrades mit den Betriebspunkten variierte und sich dadurch die Strömungsgeschwindigkeit veränderte, musste die Zeit zwischen den Laserblitzen angepasst werden, um verwertbare Bilder zu erhalten.

Die ersten Resultate der umfassenden Messkampagne lassen den Schluss zu, dass in starker Teillast im Laufradkanal Regionen entstehen, welche den Strömungsquerschnitt partiell beeinflussen (blockieren). Im geplanten Folgeprojekt sollen die vorliegenden Resultate der CFD-Simulation und den PIV-Ergebnissen als Basis für die Ableitung eines Erklärungsmodells zur „S-Schlag“-Instabilität dienen.