PT Instability - Experimentelle Untersuchung der Instabilität von Pumpturbinen im Pumpbetrieb

Projekt: Foschungsprojekt

Beschreibung

Im Zuge des Projekts soll anhand von experimentellen Untersuchungen das instationäre Betriebsverhalten von Pumpturbinen im Pumpbetrieb untersucht werden. Ein bereits für optische Messverfahren adaptiertes Pumpturbinen-Modell wird in den 4-Quadraten-Großprüfstand des Instituts für Hydraulische Strömungsmaschinen integriert.
Der Betriebsbereich von Pumpturbinen ist erfahrungsgemäß von kritischen Betriebszuständen begrenzt. Vor allem das Auftreten von Instabilitäten im Teillastbereich der Pumpe führt zu sprunghaften Änderungen der Betriebszustände und daher zu Einschränkungen des Fahrbereichs der Maschinen. Trotz Fortschritten in numerischen Strömungssimulationen können wegen der Komplexität der Strömung in Pumpturbinen nicht alle Effekte erfasst werden. Die Berechnung von instabilen Kennlinien, Druckschwankungen aufgrund von Laufrad-Leitrad-Interaktionen sowie Hysterese-Effekten gelingt nur bedingt. Eine experimentelle Untersuchung dieser kritischen Betriebszustände ist daher nicht nur aus wissenschaftlicher Sicht herausfordernd, sondern wird auch einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung moderner Pumpspeicherkraftanlagen leisten.
In einer ersten Phase werden Konzepte für detaillierte Analysen der Maschine im Bereich der Pumpeninstabilität der Kennlinie entwickelt. Hierzu sind eine Literaturrecherche sowie Vorabmessungen vorgesehen auf deren Basis relevante Betriebspunkte, signifikante Bereiche im Strömungsfeld der Pumpturbine sowie eine detaillierte Messkampagne definiert werden. Eine Vorauswahl der möglichen Einflussparameter im Bereich der Simulation wird hierbei ebenfalls festgelegt. Da ein CFD-Modell bereits vorhanden ist, ist eine Simulation der Betriebspunkte sinnvoll, um die Unterschiede in den Strömungsfeldern zu erforschen.
Parallel zu den Simulationen wird das Modell modifiziert, um Bereiche, wie beispielsweise die Umströmung der Leitschaufel- und der Stützschaufel sowie den Ein- und Austritt der Strömung aus dem Laufrad zu erfassen, ohne dabei Vereinfachungen an den für die Strömung relevanten Konturen vorzunehmen. Diese Phase ist mit der Erstellung der Technischen Zeichnungen, welche für den Umbau benötigt werden, beendet. Nach der Fertigung der Teile und dem Aufbau des modifizierten Modells beginnt die optische Untersuchung der strömungsrelevanten Bereiche. Zusätzlich werden Drucksensoren in das Modell eingebaut, welche eine synchrone Messung von Drucksignalen parallel zur Visualisierung erlauben. Außerdem können die Sensoren zur Triggerung von Hochgeschwindigkeits-Kameraaufnahmen benutzt werden. Die optischen Messungen werden für verschiedene geometrische Bereiche und Betriebspunkte der Maschine durchgeführt und sollen das physikalische Verständnis der Strömung verbessern, um Erklärungen für das Phänomen zu finden und Optimierungen in CFD-Berechnungen durchzuführen. Um den hierzu notwenigen direkten Vergleich zwischen Simulation und Messung zu erbringen wird eine vorhandene Vergleichssoftware erweitert und mit einem Algorithmus für den Vergleich der numerischen und experimentellen Strömungsfelder versehen. Hierbei ist eine Vielzahl von Möglichkeiten, wie beispielsweise der Vergleich von Sekundärströmungen, Turbulenz und Wirbelstrukturen denkbar, um den bislang zwar bekannten, aber nicht beurteilbaren Unterschied zwischen Experiment und numerischer Vorhersage herauszuarbeiten.
StatusAbschlussdatum
Tatsächlicher Beginn/ -es Ende1/10/1430/09/16