Cavitation investigations on a radial pump in turbine mode

Abstract

Die Verwendung einer Pumpe im Turbinenbetrieb ist eine bekannterweise günstige Alternative zu einer konventionellen Francisturbine. Dies beruht hauptsächlich darauf, dass sie als Serienprodukt für den Pumpbetrieb (3. Quadrant) entwickelt wurde. Wo bei maßgeschneiderten Francisturbinen bereits in der hydraulischen Entwicklung die Kavitation und ihre Erscheinungsformen exakt betrachtet werden, ist das bei den Pumpen als Turbinen nicht der Fall. Üblicherweise werden Kreiselpumpen auf den reinen Pumpenbetrieb ausgelegt, optimiert und getestet, wobei auch hier die Kavitation starkes Interesse genießt. Dies ist jedoch für den Turbinenbetrieb nicht der Fall. Bei mittleren Anlagen bieten die Pumpenhersteller eine Überprüfung der Kavitationsgrenzen auf einem Prüfstand an. Kleinere Anlagen sind aufgrund der Rentabilität und größere Anlagen aufgrund der Prüfstandskapazität für diese Versuche ausgeschlossen. Für den Anlagenbetreiber als auch den Pumpenhersteller ist daher die Detektion von Kavitation der Maschine im Feldbetrieb von Interesse, um die Betriebsgrenzen zu ziehen und damit einen Dauerbetrieb gewährleisten zu können. Die Kavitation, also das Unterschreiten des lokalen Dampfdrucks mit anschließender Implosion im Bereich höheren Drucks, ist von der Wassertemperatur, dem herrschenden Absolutdruck als auch der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Die genannte Implosion erzeugt dabei eine Schwingung, die über Beschleunigungsaufnehmer registriert werden kann. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit der Detektion von Kavitation als der Messung ihrer Intensität von Pumpen im Turbinenbetrieb. Dafür wird mit Beschleunigungssensoren an günstig zugänglichen Punkten die kavitationsinduzierte Gehäusebeschleunigung an einer 22 kW Kreiselpumpe im hydrodynamischen Labor der Technischen Universität Wien gemessen.

The pump in turbine mode is a low-cost alternative to a conventional Francis turbine. This is because of the standardized and large number of produced circular pumps for pump applications (third quadrant). The pumps in turbine mode are very low analysed regarding cavitation and their outward appearance compared to Francis turbines. This is because the pumps are just designed for pump applications and tested and optimized for this operating sector with low cavitation. Because of the low numbers of pump as turbine applications the research regarding this is pretty low. On the one hand because the small pumps as turbines are not that profitable for the pump industry and on the other hand because the laboratories are to small for testing large pumps as turbines. For medium size pumps as turbines a test under real conditions in the laboratory is possible to set different operating areas. Therefore a detection system for cavitation of pumps in turbine mode is necessary for operating restrictions and long term operating. Cavitation appears if the pressure of the fluid gets underneath the steam pressure and the resulting steam bubbles implode in areas of higher pressure or lower fluid velocities. It is therefore dependent of the static fluid pressure, the fluid temperature and the fluid velocity. The implosion of the steam bubbles induces a vibration which can be detected by acceleration transducers. This thesis handles the detection and intensity of cavitation of pumps in turbine mode. Therefore acceleration transducers are mounted on the spiral casing of the radial pump of the Hydrodynamic Laboratory of the Vienna University of Technology.