Luftein- und Austragsprozesse bei Anlagen für Peltonturbinen im Gegendruckbetrieb

Der Einsatz von Pelton-Turbinen im Bereich von Pumpspeicheranlagen gewinnt aufgrund ihrer guten Regelfähigkeit immer mehr an Bedeutung im europäischen Elektrizitätsmarkt. Eine konstruktive Besonderheit ist dabei der Einsatz einer Peltonturbine im Gegendruck, wobei bei dieser Anlagenkonfiguration der Wasserspiegel des Unterwasserreservoirs oberhalb der Strahlkreisebene der Turbine liegt. Hierbei ist es zur Vermeidung von Wirkungsgradeinbußen erforderlich, dass die durch das vom Peltonrad abströmende Wasser eingetragene Luft im Unterwasserkanal vollständig aus dem Wasser entweichen kann. Zurzeit existieren nur grobe Näherungsformeln für die Berechnung der interessierenden Entgasungslänge. Weiters ist über die Strömungsprozesse im Gehäuse einer Peltonturbine und dem dort stattfindenden Lufteintrag nur wenig bekannt. Um den Gesamtprozess einer Peltonturbine im Gegendruckbetrieb beschreiben und quantifizieren sowie die Unterwasserkanallänge im Planungsstadium genauer abschätzen zu können, werden Angaben über die determinierenden Parameter des Luftein- und Austragsprozesses bei solchen Kraftwerken benötigt. In der vorliegenden Arbeit wurden die für die Prozesse relevanten Parameter wie Abstrahlgeschwindigkeiten vom Peltonbecher, Größe und Form der auf die Wasseroberfläche auftreffenden Wasserpartikeln, Verteilung der Auftreffgeschwindigkeiten dieser Wassermassen über die Gehäusegrundfläche, Luftkonzentration im Gehäuse und deren Verteilung über den Unterwasserkanal, Größe und Aufstiegsgeschwindigkeit der im Unterwasserkanal vorhandenen Luftblasen sowie die interessierende Größe der Entgasungslänge behandelt. Dazu wurden in situ Messungen im Gehäuse einer Prototypturbine und in den Unterwasserkanälen dreier Kraftwerke mit Peltonturbinen durchgeführt. Detailuntersuchungen der Luftein- bzw. Austragsprozesse sowie zum Einfluss der erhöhten Gasdichte bei Gegendruck auf das Wasser Luft Gemisch bildeten darüber hinaus weitere Grundlagendaten, welche mit vorhandenen theoretischen Erkenntnissen verglichen wurden. Die Ergebnisse ermöglichen nun eine Berechnung der Entgasungslänge ab Kanalbeginn, welche hauptsächlich von der Wassertiefe im Unterwasserkanal, der Auftreffgeschwindigkeit der Wasserpartikel auf die Oberfläche des Unterwasserkanals und der Abflussgeschwindigkeit im Unterwasserkanal abhängen. Die vorgestellten Naturmesswerte bilden außerdem eine Grundlage für die Kalibrierung numerischer Vergleichsrechnungen.