Experimentelle Untersuchung von Axial- und Radialkräften in der Lagerung einer Modellpumpturbine

Abstract

Pumpspeicherkraftwerke spielen im Zuge des Ausbaus der erneuerbaren Energien eine immer wichtigere Rolle. Durch das Hochpumpen von Wasser wird überschüssige Energie in Form von potenzieller Energie gespeichert, um sie bei Bedarf im Turbinenbetrieb wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Darüber hinaus sind Pumpspeicherkraftwerke ein wichtiger Lieferant von Regelenergie, die innerhalb kürzester Zeit zur Stabilisierung des Netzes zur Verfügung stehen muss. Daraus ergeben sich hohe Lastwechselzahlen und eine starke Beanspruchung der einzelnen Komponenten einer Pumpturbine. Vor diesem Hintergrund muss die Lagerung der Laufradwelle für jeden einzelnen Betriebszustand ausreichend dimensioniert sein. In dieser Arbeit wird der Axialschubverlauf in den 4 Quadranten einer Pumpturbine am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der Technischen Universität Wien durch Differenzdruckmessungen im Spur- und Gegenspurlager untersucht. Den Zusammenhang zwischen Differenzdruck und einwirkender Axialkraft liefert dabei eine Kalibriergerade, die vor den Messungen mit einer für diesen Prüfstand entworfenen Kalibriereinrichtung ermittelt wird. Ein Vergleich zwischen den aufgenommenen Messergebnissen und einem zusätzlich analytisch bestimmten Axialschubverlauf soll Aufschluss über die Reproduzierbarkeit und die Genauigkeit der analytischen Abschätzung geben. Der spezielle Aufbau der Lagerung ermöglicht es zudem, die auftretenden axialen und radialen Druckschwankungen mittels piezoresistiver Drucksensoren in den Lagertaschen zu erfassen. Durch eine FFT-Analyse der in den einzelnen Betriebspunkten aufgezeichneten Messergebnisse werden die Ursachen für die auftretenden Druckschwankungen näher untersucht.

Pumped storage power plants are playing an increasingly important role in the course of the expansion of renewable energies. By pumping up water, surplus energy is stored in the form of potential energy to be converted back into electrical energy when needed in turbine operation. In addition, pumped storage power plants are an important supplier of balancing power, which must be available within a very short time to stabilise the grid. This results in high numbers of load changes and heavy stress on the individual components of a pump turbine. With this in mind, the bearing of the impeller shaft must be sufficiently dimensioned for each individual operating condition.In this work, the axial thrust curve in the 4 quadrants of a pump turbine is investigated at the Institute of Energy Technology and Thermodynamics of the Vienna University of Technology by differential pressure measurements in the thrust bearing. The correlation between the differential pressure and the acting axial force is provided by a calibration line, which is determined before the measurements with a calibration device designed for this test rig. A comparison between the recorded measurement results and an additional analytically determined axial thrust curve should provide information about the reproducibility and accuracy of the analytical estimation.The special design of the bearing also makes it possible to record the axial and radial pressure fluctuations that occur by means of piezoresistive pressure sensors in the bearing pockets. Through an FFT analysis of the measurement results recorded at the individual operating points, the causes of the occurring pressure fluctuations are investigated in more detail.