Modalanalyse eines reversiblen Pumpturbinenlaufrades

Abstract

Wasserkraftanlagen haben seit jeher eine bedeutende Rolle in der österreichischen und europäischen Energieversorgung gespielt. In den letzten Jahren hat ihre Bedeutung aufgrund der starken Veränderungen im Energiemarkt zugenommen. An der TU Wien wurden eine Reihe von Forschungsprojekten im Bereich Wasserkraftanlagen durchgeführt, wobei der Schwerpunkt insbesondere auf Hoch- und Mitteldruckanlagen liegt. Da viele dieser Anlagen Prototypen sind, sind solche Forschungsprojekte von besonderem Interesse.Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, das Schwingungsverhalten einer reversiblen Pumpturbine zu untersuchen. Dazu wurden numerische Simulationen durchgeführt, um das Schwingungsverhalten des Laufrads und der Leitschaufel sowohl in Luft als auch im Wasser zu analysieren. Zur Überprüfung der Validität der computergestützten Modelle wurden die Ergebnisse der Luftsimulation anhand einer experimentellen Modalanalyse validiert. Das übergeordnete Ziel besteht darin, potenziell schädigende Schwingungen des Systems bei einer Resonanzfrequenz (bzw. einem Vielfachen davon) festzustellen. Dazu wurde unter anderem eine Schwingungsüberwachung an der Maschine durchgeführt, um daraus mögliche Anregungsfrequenzen zu erhalten. Am Nebenschauplatz wurde das Laufrad und die Leitschaufel mit Methoden des Reverse Engineerings rekonstruiert um eine Basisgeometrie für die CFD- und FEA-Berechnungen bereitzustellen.

Hydropower plants have always played a significant role in the Austrian and European energy supply. In recent years, their importance has increased due to significant changes in the energy market. At the Vienna University of Technology, a series of research projects in the field of hydropower plants have been carried out, with a particular focus on high and medium-pressure systems. Since many of these plants are prototypes, such research projects are of special interest.The main objective of this work is to examine the vibration behaviour of a reversible pump turbine. For this purpose, numerical simulations were conducted to analyse the vibration behaviour of the runner and guide vanes in both air and water. To validate the accuracy of the computer-assisted models, the results of the air simulation were verified through experimental modal analysis. The overarching goal is to identify potential harmful resonance oscillations during operation. This involved conducting vibration monitoring of the machine, among other methods. Additionally, the impeller and guide vanes were reconstructed using reverse engineering techniques at a secondary location to provide a baseline geometry for CFD and FEA calculations.