Lufteintragsrate in Drucksysteme von Wasserkraftanlagen infolge Einlaufwirbel

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: 103191

Schlüsselwörter (Deutsch)

TP0067;F-Wasserkraft

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Lufteintragsrate in Drucksysteme von Wasserkraftanlagen infolge Einlaufwirbel

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Drucksysteme von Wasserkraftanlagen sollen frei von Luft sein. Andernfalls führt das zu Wirkungsgradminderung, Pulsationen, Druckstössen und Durchflussreduktionen. Einlaufwirbel werden als eine massgebende Quelle des Lufteintrags angesehen. Zum Mechanismus und zur Quantifizierung des Lufteintrags fehlt bis heute ein fundiertes Wissen. Aufgrund dessen müssen auf der sicheren Seite liegend entsprechend grosse Reserven bei Planung und Betrieb eingehalten werden. Ist die Vorhersage des Lufteintrags möglich, eröffnet sich eine Alternative zur heutigen Bemessung. Eine Quantifizierung von Schadenpotentialen respektive von Gegenmassnahmen macht ökonomische Abwägungen zwischen Verhinderung und Zulassen von Lufteintrag möglich. Wasserkraftanlagen und insbesondere deren Speicherbewirtschaftung können wirtschaftlich optimiert bemessen und betrieben werden. Die VAW untersucht mittels physikalischer Modellversuche den Lufteintrag durch Einlaufwirbel. Die hierzu notwendigen grossmassstäblichen Bedingungen werden mit einem Tank von ca. 50 m3 Volumen und einem Durchfluss bis 500 l/s erreicht. Das Modell ermöglicht die Einhaltung der heute bekannten Grenzwerte bzgl. der Modellähnlichkeit von Einlaufwirbeluntersuchungen um ein Mehrfaches. Die durch den Wirbel am Einlauf ins Drucksystem des Modells eingetragene Lufteintragsrate wird stromab mittels Entlüftung bestimmt. Die den Lufteintrag beeinflussenden Parameter werden variiert und gemessen. Die Zirkulation, einer der wichtigsten Parameter zur Charakterisierung des Wirbels, wird aus dem horizontalen Geschwindigkeitsfeld um den Wirbel ermittelt. Die Vermessung des Geschwindigkeitsfeldes erfolgt mittels einer 2D-Particle Image Velocimetry (PIV) auf einer Gesamtfläche von bis zu 1 m2. Bis November 2011 wurden Geschwindigkeitsfelder um den Wirbel in einer Auflösung von 1x1 bis 6x6 cm2 erfolgreich gemessen und analysiert. Die Zirkulation um den Kern des Wirbels wirkt sich nahezu auf der Gesamtfläche des PIV aus. Die durch den Wirbel verursachte Lufteintragsrate von maximal 0.2% erscheint visuell wesentlich grösser. In diesem Zustand ist die Strömung im Rohr aufgrund der Luftphase weiss. Grössere Lufteintragsraten als 0.2 %, welche durchaus auftreten, sind nur unter bestimmten Voraussetzungen messbar. 2012 werden das Geschwindigkeitsfeld des Wirbels mit den antreibenden Kräften bzw. Parametern im Zusammenhang mit den resultierenden Lufteintragsraten analysiert. U. a. werden die wesentlichen Einflussfaktoren auf den durch Einlaufwirbel erzeugten Lufteintrag systematisch variiert und untersucht. Ziel ist es, mit den im Modell erfassten Messdaten die Lücke im Grundlagenwissen und in der praktischen Bemessung von Einlaufbauwerken bzw. dem Betrieb von Wasserkraftanlagen zu schliessen.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ETH Zürich, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW)

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Möller,Georg
Detert,Martin
Boes,Robert

Zugehörige Dokumente

• Lufteintragsrate in Drucksysteme von Wasserkraftanlagen infolge Einlaufwirbel - Zwischenbericht 2009 [PDF] 32 kB
• Lufteintragsrate in Drucksysteme von Wasserkraftanlagen infolge Einlaufwirbel - Jahresbericht 2010 [PDF] 425 kB
• Lufteintragsrate in Drucksysteme von Wasserkraftanlagen infolge Einlaufwirbel - Jahresbericht 2011 [PDF] 729 kB

Schlussbericht (Deutsch)

Drucksysteme von Wasserkraftanlagen sollen frei von Luft sein. Andernfalls sind Wirkungsgradminderung, Pulsationen, Druckstösse und Durchflussreduktionen die Folge. Einlaufwirbel werden als eine massgebende Quelle des Lufteintrags angesehen. Zum Mechanismus und zur Quantifizierung des Lufteintrags fehlt bis heute ein fundiertes Wissen. Aufgrund dessen müssen auf der sicheren Seite liegend entsprechend grosse Reserven bei Planung und Betrieb eingehalten werden. Ist die Vorhersage des Lufteintrags möglich, eröffnet sich eine Alternative zur heutigen Bemessung. Eine Quantifizierung von Schadenspotentialen respektive von Gegenmassnahmen macht ökonomische Abwägungen zwischen einerseits Verhinderung und andererseits Zulassen von Lufteintrag möglich. Wasserkraftanlagen und insbesondere deren Speicherbewirtschaftung können wirtschaftlich optimiert bemessen und betrieben werden. Die VAW untersucht mittels physikalischer Modellversuche den Lufteintrag durch Einlaufwirbel. Die hierzu notwendigen grossmassstäblichen Bedingungen werden mit einem Tank von ca. 50 m3 Volumen und einem Durchfluss bis zu 520 l/s erreicht. Das Modell ermöglicht die Einhaltung der heute bekannten Grenzwerte bzgl. der Modellähnlichkeit von Einlaufwirbeluntersuchungen um ein Mehrfaches. Die durch den Wirbel am Einlauf ins Drucksystem des Modells eingetragene Luftmenge wird stromab mittels Entlüftung kontinuierlich während zwei Stunden für insgesamt 34 Lastfälle bestimmt. Damit ist zum ersten Mal die Lufteintragsrate systematisch ermittelt worden. Es wurde eine maximale Lufteintragsrate von 0.8 % gemessen. Mittels einer 2D-Particle Image Velocimetry (PIV) wird das horizontale Geschwindigkeitsfeld um den Wirbel auf einer Gesamtfläche von 1 m2 gemessen. Die Zirkulation als einer der wichtigsten Parameter zur Charakterisierung des Wirbels wird aus dem Geschwindigkeitsfeld ermittelt. Zudem werden die PIV Aufnahmen mittels Objekterkennung zur Bestimmung der Lage des Wirbels und des Durchmessers des Luftschlauches ausgewertet. Der Luftschlauchdurchmesser korreliert linear mit der Zirkulation. Die mittleren Geschwindigkeiten im Luftschlauch des Wirbels sind ebenfalls abschätzbar. Aus den analysierten Daten konnten zwei Ansätze zur Vorhersage der Lufteintragsrate entwickelt werden: (1) Ein intrinsischer Ansatz, welcher mittels der Überdeckung und der Einlaufgeschwindigkeit eine Vorhersage ermöglicht. (2) Ein extrinsischer Ansatz, welcher die Vorhersage aufgrund von numerisch bestimmter Zirkulation ermöglicht. Eine praktische Bemessung von Einlaufbauwerken bzw. das Aufstellen von präzisen Richtlinien für den Betrieb von Wasserkraftanlagen hinsichtlich der Lufteintragsrate von Einlaufwirbeln sind damit möglich. Mit dem Jahr 2012 endete die finanzielle Förderung durch das BfE. Im Juni 2013 wurden die Ergebnisse des Forschungsprojektes erfolgreich im Rahmen der Dissertation von Herrn Möller verteidigt. Bis September 2013 wurden neben der Dissertation sechs Veröffentlichungen publiziert, zwei Veröffentlichungen wurden eingereicht und eine weitere Veröffentlichung befindet sich in der Vorbereitung.

Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
ETH Zürich, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW)

Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Möller,Georg
Detert,Martin
Boes,Robert

Zugehörige Dokumente

• Lufteintragsrate in Drucksysteme von Wasserkraftanlagen infolge Einlaufwirbel - Schlussbericht [PDF] 6'499 kB