Entwicklung eines autonomen Messsystems zur Erfassung von Dehnmessstreifen-Signalen in hydraulischen Turbinen

Abstract

Veränderte Betriebsweisen von Wasserkraftanlagen verändern die Belastungsprofile von Laufrädern und beeinflussen die Lebensdauer. Um diese Belastungsmuster im realen Betrieb quantifizieren zu können, entwickelt diese Arbeit ein autonomes Messsystem zur Erfassung von Dehnmessstreifen-Signalen an den Laufschaufeln. Da die Kraftwerkskonstruktion einen telemetrischen Datentransfer nicht zulässt, basiert das Messkonzept auf einer lokalen Datenerfassung. Ein Datalogger übernimmt direkt am Laufrad die hochfrequente Signalaufzeichnung. Die Systemauslegung umfasst die Softwareimplementierung inklusive integrierter Kalibrierroutinen sowie die Dimensionierung der Energieversorgung für die mehrstündige Messung. Ein eigens entwickelter Versuchsstand validiert den Messaufbau. Die Versuchsmethodik trennt lastinduzierte Dehnungsanteile systematisch von zeitabhängigen, thermischen Einflüssen. Der direkte Abgleich der Messergebnisse mit einem analytischen Modell verifiziert den Versuchsaufbau. Basierend auf den experimentellen Daten wird anschließend eine reale Kraftwerksapplikation ausgearbeitet. Es behandelt spezifische Betriebsrisiken, die mechanische Integration und die Strömungsbeeinflussung. Die Ergebnisse belegen eine technische Umsetzbarkeit in einem Kraftwerk.

Altered operating modes of hydroelectric power plants change the load profiles of runners and affect their service life. To quantify these load patterns during actual operation, this thesis develops an autonomous measurement system for capturing strain gauge signals on the runner blades. As the power plant design does not permit telemetry-based data transfer, the measurement concept relies on local data acquisition. A data logger performs high-frequency signal recording directly on the runner. The system design encompasses software implementation, including integrated calibration routines and the sizing of the power supply for measurements lasting several hours. A custom-developed test rig validates the measurement setup. The testing methodology systematically separates load-induced strain components from time-dependent thermal effects. Direct comparison of the measurement results with an analytical model verifies the test setup. Based on the experimental data, a real-world power plant application is subsequently developed. This addresses specific operational risks, mechanical integration, and the impact on flow conditions. The results demonstrate the technical feasibility of implementation in a power plant.