Experimentelle Untersuchung einer Durchströmturbine

Am 4-Quadranten-Prüfstand des Instituts für Hydraulische Strömungsmaschinen wurde eine umfangreiche experimentelle Untersuchung an einer Prototypen-Durchströmturbine (auch „Crossflow Turbine CFT“) durchgeführt.

Abmaße und Nenndaten

• Fallhöhe: HNenn = 21.8 m
• Durchfluss: QMax = 280 l/s
• Drehzahl: nNenn = 500 U/min
• Trommeldurchmesser D = 350 mm

Die Dimensionen des Prototypen entsprechen grundsätzlich einer typischen Großausführung, wobei aus Gründen der Vereinfachung der Versuchsdurchführung der Trommeldurchmesser auf
D = 200 mm reduziert wurde.

Auf Basis langjähriger Betriebserfahrung des Herstellers wurde in Eigenregie eine Effizienzsteigerung der Turbine durchgeführt. Die Bestätigung der Effizienzsteigerung sollte nun auf einem normkonformen Großprüfstand nachgewiesen werden, um die gewonnenen Erkenntnisse auf andere Baugrößen umzulegen.

Versuchsaufbau und Messung nach IEC 62006 und IEC 60193

Durch Rohrleitungsadaption am Prüffeld wurde der Prototyp längs der Mengenmessstrecke aufgebaut und über den offenen Kreislauf des 4-Quadranten-Prüfstandes betrieben. Der unterwasserseitige Anschluss erfolgte über ein Passstück direkt in die Behälteröffnung des offenen Wasserkreislaufes. Die Anlieferung der Maschine erfolgte auf einer Trägerkonstruktion. Antriebsseitig wurde die Turbine an einen 90 kW Generator (Nenndrehzahl n = 750 U/min ) angeschlossen.

Die Kennlinienmessung erfolgte entsprechend der für diesen Fall anzuwendenden Norm IEC 62006 (Hydraulic machines – Acceptance tests of small hydroelectric installations). Das Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen garantiert im Durchflussbereich Q = 35-500 l/s, im Fallhöhenbereich H = 5-50 m und im Drehmomentbereich M = 50-1000 Nm eine maximale Messunsicherheit von fȠ,tot = +/- 0.35 %. Somit werden die Anforderungen der Norm IEC 60193 (Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines – Model acceptance tests) mehr als erreicht.

Eingesetztes Messequipment:

• Durchfluss Q: Induktives Durchflussmessgerät (Hersteller: ABB)
• Drehmoment M: Drehmomentmesswelle (Hersteller: HBM)
• Drehzahl n: Drehmomentmesswelle (Hersteller: HBM)
• Differenzdruck ∆p: Differenzdruckaufnehmer (Hersteller: ROSEMOUNT)
• Weggeber für Leitschaufelöffnung (Hersteller: Balluff)

Ergebnisse

Folgendes Messprogramm wurde durchgeführt:

• Messung des Wirkungsgradverlaufs bei variabler Leitapparatöffnung (10 % - 100 % Öffnung) sowie H = 22 m = const. und n = 500 U/min = const.)
• Untersuchung einer Fallhöhenvariation bei konst. Leitapparatöffnung (90 % Öffnung)
• Messung von Maschinenkennfeldern bei H = 18 m / 12 m / 6 m / 2 m = const.

Der Versuchsablauf stellt den Betrieb der Maschine in einem realen Kraftwerk nach. Bei etwa konstanter Fallhöhe können die Durchflussmenge Q sowie auch die Leistung P durch Öffnen bzw. Schließen der Leiteinrichtung variiert werden. Es zeigt sich, dass sich bei der für den Versuch verwendeten Fallhöhe von H = 22 m bei vollständig geöffnetem Leitapparat ein Maximaldurchfluss von Q = 295 l/s bzw. eine Maximalleistung PMax = 51.7 kW ergibt. Entgegen dem Verhalten vollbeaufschlagter hydraulischer Maschinen konnte bei abnehmender Fallhöhe bzw. Drehzahl oder Re-Zahl eine deutliche Wirkungsgradsteigerung erreicht werden.