Messung des Spritzwasser-Geschwindigkeitsfeldes im Gehäuse einer Peltonturbine mittels PIV

Seit ihrer Erfindung vor rund 100 Jahren hat die Peltonturbine eine markante Entwicklung bezüglich Fallhöhe und Maschinenleistung erfahren. Das theoretische Wissen über die Strömungsvorgänge in dieser Maschine ist aber - im Gegensatz zu Francis- und Kaplanturbinen - noch immer sehr gering. Die Strömungsvorgänge wie Freistrahl, freie Oberflächenströmung in den Bechern und Zweiphasenströmung im Gehäuse sind bis jetzt nur in Ansätzen einer theoretischen Betrachtung zugänglich. Speziell über das Turbinengehäuse und vor allem die Wechselwirkung Turbine - Gehäuse gibt es kaum Forschungsarbeiten. Das Gehäuse stellt aber einen wesentlichen Bestandteil einer Peltonturbinenanlage dar. Es ist indirekt am Energieumsatz beteiligt, da es die Aufgabe hat, das aus den Bechern abströmende Wasser ohne Rückwirkung auf das Laufrad abzuführen. Die im Turbinengehäuse entstehenden Verluste bewirken eine Verminderung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage. Eine Minimierung der Gehäuseverluste ist für den Erhalt eines möglichst hohen Anlagenwirkungsgrades unbedingt erforderlich. Die Erneuerung und Modernisierung alter Wasserkraftanlagen ist in Europa heute eine der wichtigsten Aufgaben. Mit geringem Aufwand können dabei beträchtliche Verbesserungen in der Energiegewinnung erzielt werden. Eine "einfache" Möglichkeit ist der Einbau neuer Laufräder. Bei Peltonturbinen verursacht dieser Neueinbau naturgemäß Änderungen in der Spritzwasserverteilung im Gehäuse, da ja die Abströmverhältnisse aus dem Laufrad geändert werden. Üblicherweise werden aber größere Änderungen am Gehäuse - die ja auch bauliche Änderungen bedingen - aus Kostengründen vermieden. Aus diesem Grund sind also auch für diese Anwendungsfälle detaillierte Kenntnisse der Gehäuseströmung von größter Bedeutung. Die Untersuchungen an Gehäusen von Peltonturbinen beschränken sich bis zum heutigen Tag auf die optische Beurteilung der Spritzwasserverteilung im Gehäuse. Ein großer Schritt in Richtung einer fundierten Analyse ist die meßtechnische Erfassung der Geschwindigkeiten der Wasserteilchen im Gehäuse. Die Kenntnis der Geschwindigkeitsfelder ist auch Grundlage für zukünftige theoretische Ansätze zur Simulation der Strömungsvorgänge im Gehäuse. Ziel ist es somit, die Geschwindigkeitsfelder im Gehäuse einer Peltonturbine meßtechnisch zu erfassen. Nach der Analyse der derzeitig erhältlichen Meßverfahren scheint die Particle Image Velocimetry (PIV) das für diese Zwecke geeignetste Verfahren. Die Schwierigkeit besteht nun aber darin, verschiedene Bereiche des Strömungsraumes (= Gehäuse) der optischen Beobachtung zugänglich zu machen. Die Erfahrungen zeigen, daß das Projekt sinnvoll in zwei Abschnitte zu unterteilen ist: Beobachtung der aus den Bechern ausströmenden Wasserströme: In diesem Abschnitt ist das durch das Laufrad hervorgerufene Geschwindigkeitsfeld zu ermitteln. Zu diesem Zweck sind spezielle Gehäuseeinbauten notwendig, um den Beobachtungsbereich der Laufradumgebung von dem die Beobachtung störenden Spritzwasser frei zu halten. Beobachtung der Strömung an und im Bereich der Gehäusewand: Dieser Teil der Aufgabe dient zur Beurteilung des Gehäuseeinflusses auf die Strömung. Die Größe und Richtung der entlang der Gehäusewand strömende Wasserteilchen ermöglicht Aussagen über die Auswirkungen der Gehäusewandung auf das Strömungsfeld.