Ermüdungsanalyse von Kugelschiebern

Abstract

Kurzfassung Die Liberalisierung des Strommarktes im Jahr 1998 sowie der zunehmende Einfluss erneuerbarer Energien veränderten das Betriebsverhalten von Wasserkraftanlagen in Europa hin zu vermehrtem An- und Abfahren der Maschinen- und Anlagenkomponenten. Vor 1998 errichtete Wasserkraftwerke wurden lediglich statisch richtig ausgelegt und mit ausreichenden Sicherheiten versehen, um den auftretenden dynamischen Belastungen standzuhalten. Heutzutage erfordert die durch das vermehrte An- und Abfahren erhöhte Lastwechselzahl eine Kontrolle der damaligen statischen Berechnungen. Dabei gilt es, deren Gültigkeit für die gegenwärtigen und zukünftigen Belastungshäufigkeiten zu eruieren und des Weiteren zu ermitteln, ob eine Werkstoffschädigung im Sinne von Materialermüdung auftreten könnte. Kraftwerksbetreiber möchten aus wirtschaftlichen Gründen die alten Anlagenkomponenten trotz des neuen Betriebsverhaltens weiter betreiben können, ohne einen ungeplanten Kraftwerksausfall zu erleiden. Somit bezieht sich das Thema dieser Diplomarbeit auf die Analyse der möglichen ermüdungsrelevanten Maschinenelemente von Kugelschiebern, welche wesentliche Anlagenkomponenten einer Wasserkraftanlage darstellen. Die sich im Inneren der Absperrorgane befindlichen Drehkörper sind in der Regel um 90 Grad drehbar gelagert und können den Triebwasserweg einer Rohrleitung abschließen bzw. öffnen. Alle Kugelschieberkomponenten unterliegen im vollständig geöffneten sowie geschlossenen Zustand mechanischen Kräften sowie Druckschwankungen und während des Öffnungs- und Schließvorganges zusätzlich noch mechanischen Momenten. Je nach Häufigkeit der Betätigung dieser Verschlussorgane könnten diese, abhängig von der Höhe der Belastung, zur Funktionsunfähigkeit führen. In dieser Diplomarbeit gilt es, diese Belastungen in Form von mechanischen Spannungen sowohl analytisch als auch numerisch darzustellen. Grundvoraussetzung zur Bestimmung dieser mechanischen Spannungen sind Kenntnisse bezüglich hydraulischer Strömungsverhältnisse sowie auftretender Druckschwankungen im Kugelschieber. Schlussendlich ist für jede Hauptkomponente des Kugelschiebers eine passende Norm bzw. Richtlinie zu wählen, mit der eine Ermüdungsfestigkeitsberechnung durchgeführt werden kann.

Abstract The electricity market liberalisation of 1998 and the growing impact of renewable energies have led to changes in the operating behaviour of European hydroelectric power plants by increasing the start-up and shut-down procedures of machine and plant components. Hydroelectric power plants that were built before 1998 had been construed solely under a static point of view, plus extra safety calculations to withstand dynamic loads. Nowadays, these static calculations need to be rechecked because of the increased start-up and shut-down procedures. Thereby, it is of significant importance to determine the validity for present and future exposure frequency and to evaluate the possible occurrence of fatigue. Power plant operators want to keep the old plant components - regardless of the changed operating behaviour. Still, they do not want to risk unplanned outages and consequently, this calculation is of (economic) importance to them. This thesis analyses those machine components of spherical valves as substantial parts of hydroelectric power plants that might be susceptible to fatigue. Usually, the rotor in the shut-off elements is pivotally mounted at an angle of 90 degrees in order to open or close the supply canal of a pipe. When fully open or closed, all the components of the spherical valve are subject to mechanical forces and pressure fluctuations. Additionally, during the opening and closing process, these components are subject tomechanical torques. Depending on the frequency of use of the closing gates and depending on the stress intensity, total failure of the spherical valve might occur. This thesis focuses on the description of mechanical stresses in both the analytical and numerical way. In order to fulfill this task, a broad knowledge of hydraulic flow conditions and pressure fluctuations in spherical valves is needed. Finally, an appropriate standard norm for the calculation of fatigue strength for each main component of a spherical valve has to be chosen.