Velocity and acceleration measurements on the casing of hydraulic laboratory models

Abstract

Die Aggregatszustände von Wasser und anderen Fluiden hängen nicht nur von der Temperatur, sondern auch vom statischen Druck ab, was in hydraulischen Maschinen zu dem sogenannten Phänomen der Kavitation führen kann. Eine Beschleunigung der Strömung in den Laufrädern von Pumpen und Turbinen bewirkt einen Druckabfall, wodurch ein Teil des Fluids auch bei konstanter Temperatur verdampft. Die Freisetzung von Dampfblasen resultiert in einer Zwei-Phasen-Strömung, welche einen Abfall des Wirkungsgrades in hydraulischen Anlagen und der Förderhöhe speziell bei Pumpen bewirkt. Desweiteren verursachen die plötzlichen Implosionen der Blasen in Zonen höheren Druckes Erosionsschäden an den Oberflächen betroffener Bauteile und Schwingungen und Lärm an der Maschine. Aufgrund der Tatsache, dass Kavitation in Pumpen und speziell in Turbinen von Wasserkraftwerken nicht gänzlich vermieden werden kann, ist es notwendig spezielle Messsysteme zu entwickeln und zu verbessern, um die negativen Auswirkungen in akzeptablen Grenzen zu halten. Die Untersuchungen, welche im Zuge dieser Diplomarbeit an der Technischen Universität Wien mit freundlicher Unterstützung der Firma Brüel & Kjaer Vibro durchgeführt wurden, behandeln Schwingungs- und Beschleunigungsmessungen am Gehäuse eines Labormodells. Dieses besteht aus einem Radialpumpensystem, an dem die Kavitationsvorgänge genau simuliert werden können, um die erfassten Schwingungssignale mit der Kavitationsintensität in Verbindung bringen zu können. Druck- und Durchflussmessungen und eine visuelle Dokumentation der Vorgänge in der Pumpe tragen zusätzlich zur Verifizierung der Vibrationsmessungen bei.<br />Die erzielten Resultate sollen letztendlich zur Entwicklung eines Kavitationsüberwachungssystems beitragen.<br />

The aggregate phases of water and other fluids depend not only on the temperature but also on the static pressure, leading to the phenomena called cavitation in hydraulic machinery. Flow acceleration in impellers of pumps and turbines induces a drop of pressure and as consequence a part of the fluid is vaporised even at constant temperature. The release of steam bubbles results in a two-phase flow, which decrements the efficiency of the hydraulic machine and the total head especially of pumps. Further the sudden implosion of bubbles in regions of higher pressure causes material erosion damages on affected component surfaces and vibration and noise in the machinery. Due to the fact, that cavitation cannot be avoided completely in pumps and especially in turbines of hydropower plants, special detection methods have to be developed and improved, to keep the negative impacts in an acceptable range. The investigations performed for this diploma thesis at the Vienna University of Technology with kind support of the company Brüel & Kjaer Vibro deal with vibration and acceleration measurements on the casing of a laboratory model. It consists of a radial pump system, where the cavitation processes can be exactly simulated, to correlate the detected vibration signals to the cavitation intensity. Pressure and flow transducers and visual documentations of the processes inside the pump help verifying the vibration measurements. The results achieved should finally help to develop a cavitation monitoring system.