Untersuchung der Amplitude einer freien Wasseroberflächenoszillation basierend auf Druckmessungen

Abstract

Pumpspeicherkraftwerke erfüllen eine wichtige Rolle im europäischen Verbundnetz. Ergänzend zu den Hauptaufgaben der Energiespeicherung und Netzstabilisierung gestatten sie den sogenannten Phasenschieberbetrieb. Dieser Betriebszustand der Synchronmaschine besitzt energiewirtschaftliche Relevanz, zumal die Blindleistungskompensation ermöglicht wird. Um den Phasenschieberbetrieb zu realisieren müssen Pumpturbinen während des Betriebs ausgeblasen werden. Hierdurch wird das Wasser im Saugrohr bis unter die niederdruckseitige Stirnfläche des Laufrads abgesenkt. Zwischen Laufrad und Wasseroberfläche befindet sich also ein rotierender Luftpolster. Dieser erregt die Wasseroberfläche derart, dass eine im Saugrohr umlaufende Welle entsteht. Deren Amplitude hängt von mehreren Parametern, wie etwa dem Abstand zwischen Laufrad und Wasseroberfläche, ab. Im ungünstigsten Fall kann die Welle in das Laufrad schlagen, was den Phasenschieberbetrieb negativ beeinflussen würde. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Idee, die Wellenamplitude anhand von Drucksignalen abzuschätzen. Hierfür wird ein generischer Versuchsstand im Labor des Instituts für Energietechnik und Thermodynamik (IET) der Technischen Universität Wien verwendet, an dem diese Thematik abgebildet werden kann. Zusätzlich zu experimentellen Untersuchungen werden analytische Zusammenhänge zwischen der umlaufenden Welle und den Drucksignalen besprochen.Es werden Drucksensoren an verschiedenen Positionen in Bezug auf die Welle verbaut. So erfolgt der Nachweis, dass die Wellendynamik auch mit weiter von der Welle entfernten Sensoren erfasst werden kann. Ebenso zeigen sich lineare Zusammenhänge zwischen der Wellenamplitude und den Amplituden der aufgenommenen Drucksignale.

Pumped storage power plants play an important role for the European power grid.In addition to the main tasks of energy storage and grid stabilization, they allowan operation mode called synchronous condensor mode. Synchronous condensormode offers the possibility to compensate reactive power from the grid. Due tothat, this operating condition of the synchronous machine has relevance to theenergy industry.To realize synchronous condensor mode, pump turbines must be blown out duringoperation. As a result of the blowout process, the water in the draft tube is loweredbelow the runner. This results in an rotating air cushion between runner and freewater surface. The air cushion excites the water surface in such a way that arotating wave in the draft tube occurs. The amplitude of this wave depends ondifferent parameters, for example of the distance between runner and free watersurface. In the worst case it could hit the runner which would negatively affect thesynchonous condensor mode.This diploma thesis deals with the idea of estimating the wave amplitude frompressure signals. For this purpose, a generic test rig in the laboratory at theInstitute of Energy Systems and Thermodynamics at TU Wien is used. The desiredexaminations can be performed on this. Finally, relations between the rotatingwave and pressure signals are discussed analytically.Pressure transducers are installed at various positions in relation to the rotatingwave. This demonstrates that the wave dynamics can also be recorded with sensorslocated further away from it. Furthermore linear correlations between the waveamplitude and the amplitudes of the recorded pressure signals are shown.