Schwingungsverhalten von Francis-Turbineneinlaufrollschützen bei verschiedenen Betriebslastpunkten von hydraulischen Maschinensätzen

Abstract

Der Energiemarkt benötigt immer mehr Erzeugungsquellen, die für Spitzenstromabdeckungen geeignet sind. Pumpspeicherkraftwerke werden deshalb aufgrund ihrer Leistungsvariabilität immer öfter auch außerhalb ihres Auslegungspunktes (Best Efficiency Point) betrieben. Außerhalb des Auslegungspunktes sind die strömungsbedingten Gegebenheiten ausgeprägter und wurden bei der untersuchten Anlage an einer Einlaufschütze so groß, dass Sollbruchschrauben, welche die Schützentafel mit der Entlastungsklappe verbinden, vorzeitig brachen. In dieser Arbeit sollen die kritischen Lastbereiche ausgeforscht werden. Die Ursachen liegen dabei in den im Teillastbereich entstehenden Strömungsphänomenen, welche Schwingungen an der Schütze erzeugen und dadurch eine dynamische Belastung an die Schraube übertragen. Erkenntnisse über die vorherrschenden Strömungsphänomene sollen mittels Druckpulsationsmessungen an der Schütze und vor dem Krafthaus gewonnen werden. Wie sich Schwingungen aufgrund dieser Druckpulsationen ausbilden können, soll mit einer Modalanalyse erklärt werden. Als Anregung wird dabei die Druckpulsation gewählt und als Antwort die Ausschläge, welche sich aus der doppelten Integration der gemessenen Werte eines Beschleunigungssensors ergeben. Frequenzgänge, Phasengänge und die dazugehörigen Eigenfrequenzen mit Dämpfungskonstanten helfen dabei, diese Fragestellung zu beantworten. Die aus den Schwingungen entstehende dynamische Belastung wird mit einem Spannungskollektiv mit Hilfe der Rainflow-Methode gebildet. Basierend auf diesem Spannungskollektiv wird dann über das Palmgren-Miner-Kriterium eine lineare Schadensakkumulation durchgeführt, die einen Schädigungsfaktor für die Schraube ergibt. Somit kann schlussendlich beantwortet werden, wie sich die kritischen Teillastbereiche auf die Lebensdauer der Sollbruchschraube auswirken.

The energy market requires more and more energy sources that are suitable for peak current coverage. Pumped storage power plants are increasingly operated outside their design point (Best Efficiency Point) due to their power variability. Outside the BEP, the flow-related conditions are more pronounced and can become so intense at the inlet gate that the predetermined breaking screws connecting the gate panel to the relief vale broke prematurely. In this body of work, the critical load ranges are going to be explored. The causes are to be found in the flow phenomena occurring in the part-load range, which generates vibrations at the inlet gate and thus transmitting a dynamic load to the screw. Insights into the prevailing flow phenomena are to be gained by means of pressure pulsation measurements at the inlet gate and upstream above the powerhouse. A modal analysis will be used to explain how oscillations can form as a result of these pressure pulsations. The pressure pulsation is chosen as excitation and the deflections as response, which are formed by means of double integration of the measured values of an acceleration sensor. Frequency responses, phase responses and the corresponding natural frequencies with dampening constants help to answer this question. The dynamic load resulting from the vibrations is formed with a stress collective using the Rainflow-Method. On this stress collective, a linear damage accumulation is then carried out via the Palmgren-Miner rule, which results in a damage factor of the screw. This can be used to answer how the critical partial load affects the service life of the predetermined breaking screw.