Beitrag zur messtechnischen Beurteilung der hydraulischen Auslegung von Peltonturbinen mit Schwerpunkt auf particle image velocimetry

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Analyse von Methoden zur Beurteilung der hydraulischen Auslegung von Peltonturbinen. Dieser Prozess umfasst in gleichem Maße die konstruktiven Aspekte, wie auch die messtechnische Erfassung und Beurteilung der ausgeführten Konstruktionen. Eine detaillierte Beschreibung und Berechnung der Strömung im Turbinenbecher von Peltonturbinen und der daraus resultierenden Energieumsetzung ist in der heutigen Literatur nicht umfassend zu finden. Aus diesem Grund wurde ein System entwickelt, mit dem man verschiedene Konstruktionsvarianten einfach umsetzen und überprüfen kann. Da man zur Kontrolle von Laufradgeometrien immer noch auf teure Modellversuche angewiesen ist, wird in der vorliegenden Arbeit eine Methode gezeigt, mit der anhand eines einfach zu fertigenden 2- Becher Teilmodells Rückschlüsse auf die Qualität der Turbinenauslegung gemacht werden können. Visuelle Kontrolle, der für die Qualität einer Turbine relevanten Abschnitte einerseits, sowie die messtechnische Untersuchung der Druckverteilung und des Geschwindigkeitsfeldes der Strömung im Becher am stehenden und am rotierenden System andererseits sind die in dieser Arbeit untersuchten Tools. Im Speziellen wurde zur Erfassung des Geschwindigkeitsfeldes das PIV - Verfahren dahingehend angepasst, dass auch Strömungszustände im Becher von Peltonturbinenbechern erfasst und visualisiert werden können. Zusätzlich wurden Resultate von CFD - Simulationen an einem Einzelbecher den, durch die Messung erhaltenen Daten gegenübergestellt.

This work consists of methods to examine and analyse the hydraulic design of pelton turbines. The design process covers the constructional aspects, as well as the data acquisition of the flow in implemented turbine runners. A detailed guideline of the flow through pelton turbines, or even a numerical calculation of the flow and the resulting energy conversion is still on a research level. Due to that reason a design tool has been developed which offers the possibility of drawing different variants of a pelton bucket, based on collected data of already built runners. To support the engineer in estimating the quality of the turbine design, a 2-bucket model has been built, which can be used for optical examination of the flow. Visual observation of the turbine sections, relevant for the efficiency of a turbine on one hand, as well as the examination of the pressure distribution and the velocity field in the turbine bucket are the methods presented in this work. Measurements on static and rotating models have been carried out to find out more about the complex flow in this type of hydraulic machinery. In detail the PIV - principal has been adapted, in order to measure the velocity field in pelton turbines Furthermore CFD -Calculations on a single pelton bucket have been done in order to compare the acquired measurement data with the results of a commercial CFD - code.