Lebensdauerberechnung einer Francis Turbine aus Daten einer Anlagenmessung

Abstract

Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde eine Anlagenmessung zur Ermittlung der Spannungen an einer Francis Turbine mittels Dehnmessstreifen durchgeführt. Zusätzlich wurden noch Betriebsparameter, wie zum Beispiel Maschinenschwingungen aufgezeichnet. Das Ziel dieser Arbeit ist die Auswertung und zugleich eine Bewertung der erhaltenen Messdaten. Im Rahmen dessen wurde auch untersucht, ob eine Korrelation zwischen der Schaufelbelastung durch mögliche niederfrequente Strömungsphänomene und dem Schwingweg der Welle besteht. In weiterer Folge wurde auch eine Lebensdauerabschätzung des Laufrads anhand der Messdaten durchgeführt. Dabei wurden die Kerbfaktoren mithilfe eines Finite-Elemente Modells abgeschätzt, um die Spannung in den Dehnmessstreifen korrekt in die weitaus kritischeren Kerben umzurechnen. Die Lebensdauerberechnung bereits Jahrzehnte im Betrieb stehender Anlagen ist dahingehend sinnvoll, da sich die Einsatzweise von Pumpspeicheranlagen in den den letzten Jahren stark gewandelt hat. Damit ist verbunden, dass die Maschinensätze vermehrt in Bereichen arbeiten, für welche sie nicht ausgelegt worden sind.

Significant changes to the electrical system, have caused a shift for the boundary conditions of pumped storage plants. As a result, the impact on the lifetime of hydropower plants needs to be predicted. A large research project of the Institute for Energy Systems and Thermodynamics (IET) is concerned with this question. As a part of that project, this thesis is about the analysis of hydropower station measurements. These measurement results were obtained through pressure transducers and strain gauges. Additionally, machine diagnostic system data for the measurement periods has been provided. Therefore, this work investigates the correlation of vibration-sensors and the dynamic stress at the runner. Furthermore, a life time analysis of the runner has been made. As the maximum stresses are usually appearing in the notches of the structure, the strain gauge data is converted using a linear stress extrapolation, which is calculated by the use of static FEM simulations. A sensitivity analysis of the method used to calculate the liftime has been made as well.