Title: Experimental investigation of free surface oscillation in the draft tube of hydraulic machines
Other Titles: Experimentelle Untersuchung einer freien Oberflächenoszillation im Saugrohr von hydraulischen Maschinen
Language: English
Authors: Maly, Anton 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Bauer, Christian 
Issue Date: 2019
Number of Pages: 88
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die Aufgaben und Anforderungen an Kraftwerke und das Stromnetz ändern sich. Der Stromkonsum steigt stetig und die sogenannten ”neuen” erneuerbaren Energiequellen, welche starken Fluktuationen unterliegen, gewinnen immer mehr an Bedeutung. Es wird prognostiziert, dass dieser Trend langfristig anhält. Daher werden ein hoher Grad an Flexibilität und die Gewährleistung der Versorgungssicherheit Hauptanforderungen an Kraftwerke und das gesamte Versorgungssystem sein.Schon jetzt werden Wasserkraftwerke zur Netzstabilisierung herangezogen. Aufgrund der genannten Entwicklungen wird von einem steigenden Bedarf an diesen Netzdienstleistungen ausgegangen. Eine dieser Regelaufgaben ist die Blindleistungskompensation und Regulierung des Phasenwinkels. Hierfür werden Wasserkraftwerke mit Synchronmaschinen im sogenannten Phasenschieber-Betrieb betrieben. Dabei wird das Wasser aus dem Laufrad entfernt und es rotiert in Luft über einer freien Wasseroberfläche. Derselbe Zustand ergibt sich, wenn die Maschine im Standby betrieben wird oder beim Anfahrvorgang im Pumpenbetrieb. Während diesem Betriebszustand kann es zur Anregung einer Oszillation an der freien Wasseroberfläche im Saugrohrkonus kommen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Erforschung dieses Phänomens. Im Zuge dieser Arbeit wurden Modellversuche im hydraulischen Labor des Instituts für Energietechnik und Thermodynamik an der TU Wien durchgeführt. Die untersuchte Modell-Pumpturbine ist mit einem Acrylglaskonus ausgerüstet. Dadurch bietet sich die Möglichkeit für optische Betrachtungen und Untersuchungen im Saugrohrkonus. Zusätzlich zur Standardinstrumentierung sind hochfrequente Drucksensoren an unterschiedlichen Messebenen und -stellen installiert. Die Untersuchungen erfolgen für beide Laufraddrehrichtungen, verschiedene Wasserniveaus im Saugrohr und unterschiedliche densimetrische Froudezahlen. Zur Bestimmung der Amplitude werden Hochgeschwindigkeits-Kameraaufnahmen durchgeführt und die Aufnahmen analysiert. Die Frequenz der Oberflächenoszillation im eingeschwungenen Zustand wird mittels der Drucksignale und FFT detektiert. Die gemessenen Daten ermöglichen die Feststellung von generellen Trends, Abhängigkeiten sowie Einflussfaktoren auf die Bewegung der freien Wasseroberfläche. Des Weiteren wird die Oberflächenoszillation qualitativ beschrieben und Vergleichsmessungen an einem zweiten Konus getätigt. Im letzten Kapitel wird ein analytisches Modell zur Beschreibung der Winkelgeschwindigkeiten und Frequenzen präsentiert. Es separiert die einzelnen Vorgänge und gibt die Abhängigkeiten sowie das Verhalten qualitativ wieder.

Driven by policy, environment protection aspects and to ensure the security of supply the requirements on the power plants and the power grid are changing. On the one hand electricity consumption is always growing and on the other hand so called new renewable energy sources are used as electricity source for an increasing amount. This trend is predicted to continue. Due to these facts, flexibility and ensuring the security of supply will be main requirements on power plants and the electricity system. Hydro power plants already provide balancing services to the power grid and the amount is expected to increase in the near future. One service is the compensation of reactive power. Therefore, hydro power units equipped with synchronous machines are operated in so called synchronous condenser mode. Hence the runner is dewatered and rotates in air above a free surface. Similar conditions occur, if the machine is operated in standby or during pump start up procedure. With runner rotating in air above the depressed water at the draft tube, a free surface oscillation is excited under some conditions. This thesis deals with the experimental investigation of this flow phenomenon. Therefore, model tests are executed at the hydraulic laboratory of the Institute of Energy Systems and Thermodynamics at TU Wien. Investigated model pumpturbine is equipped with a draft tube cone made of acrylic glass for optical investigations. Fast response pressure transducers are installed at different planes and positions in addition to the standard instrumentation. The machine setup and measurement conditions aim on the investigation of the free surface oscillation and shall prevent other influences. The experiments are performed for both runner rotation directions, for different initial water levels at the draft tube and different densimetric Froude numbers. High speed camera recordings are conducted and the amplitude of the water formation is determined by post processing the captured data. The frequency of the free surface oscillation in periodic state is extracted out of the pressure signals. Hence general trends and dependencies are identified by means of the acquired data. Furthermore, the behaviour of the free surface oscillation at the draft tube is described in a qualitative way and comparative experiments are performed with a second draft tube cone made of steel. An analytical approach is presented in the last chapter, describing the angular velocity and frequency of the free surface oscillation. It aims at the separation of the single processes and representing the qualitative behaviour and dependencies.
Keywords: Phasenschieberbetrieb; freie Oberflächenoszillation; Ausgeblasener Betriebszustand
Synchronous condenser mode; free surface oscillation; dewatered operation condition
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-131131
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11506
Library ID: AC15515531
Organisation: E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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