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Title
Experimentelle Untersuchungen zum tiefen Teillastbetrieb von Pumpturbinen / von Gernot Edinger
Additional Titles
Experimental Investigations of pump turbines operating at part load
AuthorEdinger, Gernot
CensorBauer, Christian
Published2014
DescriptionXIII, 126, 2 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2014
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Zsfassung in engl. Sprache
LanguageGerman
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Pumpturbine / Teillast
Keywords (EN)pump turbine / part load
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-106642 Persistent Identifier (URN)
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Experimentelle Untersuchungen zum tiefen Teillastbetrieb von Pumpturbinen [2.65 mb]
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Abstract (German)

Die Pumpspeicherung ist eine wichtige Stütze für die Stabilität des Stromverbundnetzes. Neben ternären Maschinenanordnungen werden auch reversible Pumpturbinen dazu herangezogen. Diese Arbeit beschäftigt sich vorrangig mit solchen reversiblen Pumpturbinen vom Typ Francis. Durch die geänderten wirtschaftlichen und gesetzlichen Rahmenbedingungen werden die Speicherungsmöglichkeiten nicht mehr so eingesetzt wie ursprünglich geplant. Auch die teilweise nicht exakt voraussehbare Stromproduktion aus erneuerbaren Energieträgern trägt dazu bei. Während noch vor zwei Jahrzehnten die Betriebszustandswechselzahl pro Tag zwischen Pump- und Turbinenbetrieb noch bei etwa eins bis zwei lag, zeigen neuere Aufzeichnungen, dass zehn oder mehr Wechsel keine Seltenheit mehr sind. Bei jedem Betriebszustandswechsel muss die Maschine Betriebspunkte durchfahren, welche weit ab vom Optimum liegen. Durch die dabei vorherrschenden Strömungszustände ergeben sich veränderte Belastungssituationen für die Maschinensätze. In dieser Arbeit werden solche Betriebspunkte in Teillast näher betrachtet. Im Speziellen sind Strömungsphänomene im Pumpbetrieb bei geringen Durchflüssen und auch bei Nullförderung der Schwerpunkt. Dazu zählen etwa Vorrotation und Rezirkulation im Saugrohrdiffusor. Es können sich Wirbelstrukturen bilden, welche Druckschwankungen auslösen, die ungewöhnliche Belastungen für die Maschinen darstellen. Ebenfalls treten Ablöseerscheinungen in einzelnen Stütz-Leitschaufel-Passagen auf, welche oftmals auch umherwandern. Diese werden als rotating stall bezeichnet. Zur Charakterisierung dieser Strömungszustände beziehungsweise Betriebspunkte wurde ein Modellmaschinenversuchsstand konstruiert und aufgebaut, welcher es ermöglicht, detaillierte Untersuchungen durchzuführen. Ein homologes Pumpturbinenmodell wurde dahingehend adaptiert, dass im Saugrohrdiffusor und auch in einem Stützschaufelkanal lasergestützte Strömungsgeschwindigkeitsmessungen durchgeführt werden können. Neben den Geschwindigkeitsmessungen wurden auch transiente Wanddruckmessungen im Saugrohrdiffusor durchgeführt, um die Druckschwankungen zu erfassen. Selbstverständlich wurden in jedem näher betrachteten Betriebspunkt alle globalen Performancedaten gemessen, um eine Zuordnung im Vier-Quadrantenkennfeld und der Pumpenkennlinie zu erleichtern. Grundsätzlich weist die Pumpenkennlinie für eine konstant gehaltene Leitapparatstellung eine leichte Instabilität und einen Sattelpunkt auf. Diese Beobachtung kann aus den globalen Performancedaten gemacht werden. Als Ergebnis der Geschwindigkeitsmessungen hat sich gezeigt, dass sich bei einem Durchfluss von unter der Hälfte der Auslegungsmenge bei einer gewissen Leitapparatstellung eine starke Vorrotation und Rezirkulation ausbildet. Diese beiden Strömungsbilder sind unabhängig von der Leitapparatstellung. Die Strömung bei Nullförderung unterscheidet sich im Diffusor nicht signifikant von 20% QN. Weiters nehmen die Druckschwankungen hin zu sehr kleinen Durchflüssen und der Nullförderung relativ stark zu. Die Strömung in einem untersuchten Stützschaufelkanal gegenüber des Sporns zeigte ein gewisse Strömungsablösung, die sich von der Nabenseite zur Kranzseite verschiebt, wenn sich der Durchfluss verringert. Dabei konnte auch eine gewisse Hysterese beobachtet werden. Weiters zeigte sich bei Nullförderung und geöffnetem Leitapparat ebenfalls eine stark dreidimensional verwirbelte Strömung, welche ungünstige Belastungen hervorrufen kann.

Abstract (English)

Nowadays, pumped storage became an important factor supporting the stability of the interconnected grid. There are two common ways for storing energy, reversible pump turbines and ternary machines. The focus of this works is on reversible Francis pump turbines. Due to the change of the energy sector concerning legal and economic frameworks and the growing renewable energy production, type of duty has been changed. About twenty years ago, the number of mode changes from pump to turbine or vice versa was once or twice a day. Today, ten or more changes of operation modes become more common. Thus, it is very important to know how the specific loads during start ups affect the pump turbine because thereby, the machines can operate at off design conditions. The main topic of this work is part load pumping and zero flow conditions of a pump turbine. Flow phenomena like prerotation and backflow at the runner inlet in the draft tube diffuser were examined. The occurrence of weak vortex structures in the conical diffuser can cause pressure fluctuations which might have an unfavourable influence on the loads of the machine structures. Furthermore, the so called rotating stall, a moving flow separation in the stay-guide vane passage, appears. For examinations and characterization of these operating points, a closed loop pump turbine test rig was set up. A homologous model machine was adapted for performing detailed laser supported flow velocity measurements in the draft tube diffuser and in an one stay-guide vane flow passage. Beside the velocity measurements, transient wall pressure measurements were done. At every operating point the global performance data was recorded for a location on the head capacity curve. The head capacity curve of the analysed pump turbine has a saddle point and a region with a slight positive slope, which might cause some instabilities when operating in these zones. Detailed velocity measurements showed a strong prerotation and backflow below a certain discharge. These phenomena are independent of the guide vane setting. Interestingly, the velocity distribution at zero discharge differs not significantly from the conditions at 20% QN. The pressure pulsations rise up at a certain discharge. The amplitudes still increase at very low discharge and shut off conditions. The velocity measurements in a stay vane flow passage opposite the nose vane showed a separation. This flow separation changes from the hub to the shroud side when throttling the discharge. An hysteresis can be observed at this separation shift. At shut off conditions at a given gate opening, a fully separated three-dimensional flow has been raised in the stay vane flow passage. This flow phenomena can cause unfavourable load conditions for pump turbines.

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