Visualisierung von Strömungen im Becher einer Peltonturbine

Abstract

Alleine im von großem Wasserkraftpotential gesegneten Österreich decken die jährlichen Zuwächse an installierter elektrischer Leistung aus Wasserkraft lediglich den Mehrverbrauch unserer Gesellschaft ab. Es liegt an unserer Generation, die Energieversorgung der Welt in einer Art und Weise zu sichern, dass dadurch einerseits eine lebenswerte Umwelt erhalten bleibt, andererseits vorhandene Energiequellen effizienter genutzt und neue Kapazitäten in kreativer Weise erschlossen werden.<br />Wasserkraft wird dabei weiter eine wichtige Rolle spielen. Denn bis dato gibt es keine andere derart ausgereifte und effiziente Art und Weise Energie zu speichern wie Pumpspeicherkraftwerke. Dabei liegt in der Erhöhung der Wirkungsgrade weiterhin ein bedeutendes Potential.<br />Für die optimale Auslegung eines Turbinenlaufrades an die Gegebenheiten des jeweiligen Kraftwerks werden heutzutage neben viel Fingerspitzengefühl, Erfahrung und den bewährten Modellversuchen auch bereits Computersimulationen eingesetzt. Letztere erlauben eine rasche rechnergestützte Optimierung der Turbinengeometrie, sind aber zum Teil noch mit gewissen Unsicherheiten behaftet, was die Abbildung der realen Wasserbewegungen im Computermodell betrifft. Folglich ist es notwendig, diese Wasserbewegungen im Turbinenbecher während des Betriebes im Versuch noch näher zu untersuchen, um so das computerbasierte Laufraddesign weiter verifizieren zu helfen.<br />Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Recherche und Analyse zu Möglichkeiten, die Wasserströmungen im Schaufelbecher einer Modell-Peltonturbine mittels Kamerasystemen während des Betriebs bildlich festzuhalten. Neben einer ausführlichen Behandlung der zurzeit kameratechnischen Möglichkeiten, liegt ein weiterer Schwerpunkt in der Simulation verschiedener Befestigungsvarianten der Kameras und nachfolgender Analyse. Es konnten dabei mehrere Varianten untersucht werden, welche sich in besonderer Weise dazu eignen würden an einem Pelton-Modelllaufrad umgesetzt zu werden, um Bildaufnahmen aus dem Schaufelbecher zu erhalten.<br />

Austria is located at the Eastern end of the Alps and is therefore in the fortunate position of having lots of mountains and capacities for installing hydropower plants. Yet all the effort of building these new hydropower plants in Austria only just covers the annual increase in electricity demand; new and creative ideas are needed and this responsibility has fallen upon our generation. Energy production is a multifaceted topic that also consists of wind-, sun- and sea power, but hydropower henceforth seems to play an enormously important role in this interplay of natural forces, also due to the high potential and the unexcelled efficiency of storing energy in hydro pump storages.<br />For an optimal design of Pelton turbine runners a lot of expert knowledge and the use of model experiments is needed. Nowadays computer simulations for CAD are used to improve the runner geometry in a quick and automated way. However, there is still uncertainty concerning the simulated water flow, which in reality is very complicated and caught in a crossfire of influences. Further research work on the bucket water flow is necessary to help improve computerised turbine runner design.<br />This paper is concerned with the possibilities of observing the water flow in a Pelton model turbine bucket with the use of cameras during operation. An important part of this work is the technical background and state of the art of cameras that theoretically could be used in different ways in a continuative project. Another chapter focusses on the question of which variants of camera positioning might be possible on model turbines. Also, by simulating numerous positioning variants in CAD, several promising possibilities to observe the water flow in a turbine bucket were educed.<br />