PELAB – Vorhersage von Wirkungsgradverlusten aufgrund von Abrasion und Verschleiss an Peltonrädern

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502195
• Projekttitel Englisch: PELAB – Prediction of efficiency loss due to abrasion and wear on Pelton wheels

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Die Abnutzung von Turbinen in Wasserkraftanlagen durch schwebstoffhaltiges Wasser hat einen grossen Einfluss auf deren Effizienz. Die Abnutzung führt zu Minderproduktion und hohen Unterhaltskosten. Um den Betrieb solcher Anlagen diesbezüglich zu optimieren, sind in der Praxis gut anwendbare, aber auch verlässliche Messmethoden und Prognosemodelle für die Turbinenerosion und die Wirkungsgradänderung erforderlich. Ein dimensionsunabhängiges Prognose-Modell für die Wirkungsgradeinbusse an Peltonanlagen möchte die Hochschule Luzern in ihrem Hydrolabor an der eigenen Modell-Peltonanlage erarbeiten. Dazu werden systematische Wirkungsgrad-Messungen an Peltonrädern mit verschiedenen abrasionstypischen Merkmalen durchgeführt. Das Prognosemodell soll exemplarisch an drei Anlagen der Axpo Power AG, welche als Industriepartner gewonnen werden konnte, überprüft werden.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The wear of turbines in hydroelectric power plants by water containing suspended particles has a large impact on their efficiency. The wear and tear leads to reduced production and high maintenance costs. In order to optimize the operation of such plants, well applicable but also reliable measuring methods and prognosis models for turbine erosion and efficiency changes are required. The Lucerne University of Applied Sciences and Arts wants to develop a dimension-independent prognosis model for the efficiency of Pelton plants from data gained on a model Pelton turbine in its hydro-laboratory. For this purpose, systematic efficiency measurements will be carried out on Pelton wheels with different abrasion-typical patterns. The prognosis model will be adapted to three plants of the Axpo Power AG, which has been acquired as an industrial partner for the project.

Kurzbeschreibung (Französisch)

L'usure des turbines des centrales hydroélectriques par l'eau contenant des matières en suspension a une grande influence sur leur efficacité. L'usure entraîne une baisse de la production et des coûts d'entretien élevés. Pour optimiser l'exploitation de telles installations à cet égard, il est nécessaire de disposer de méthodes de mesure et de modèles de prévision de l'érosion des turbines et de la modification du rendement qui soient bien applicables dans la pratique, mais aussi fiables. La Haute école de Lucerne souhaite élaborer un modèle de prévision indépendant des dimensions pour la perte de rendement des installations Pelton dans son laboratoire d'hydrologie sur sa propre installation Pelton modèle. Pour ce faire, des mesures systématiques de rendement seront effectuées sur des roues Pelton présentant différentes caractéristiques typiques de l'abrasion. Le modèle de prévision doit être vérifié à titre d'exemple sur trois installations d'Axpo Power AG, qui a pu être gagnée comme partenaire industriel.

Schlussbericht (Deutsch)

Die Hochschule Luzern T&A hat das R&D  Projekt «PELAB» (Prediction of efficiency losses due to abrasion), welches durch das Bundesamt für Energie (BFE) und die Axpo Power AG unterstützt wurde, durchgeführt und ein Prognosemodell erstellt, welches Wirkungsgradeinbussen von abradierten Peltonrädern berechnen kann. Die im Prognosemodell hinterlegten Daten wurden in einer Messreihe im hochschuleigenen Hydrolabor an einer Modell-Peltonanlage gemessen und in einer dimensionslosen Form für grosse Anlagen übertragbar gemacht. Da eine Skalierung mit sedimenthaltigem Wasser nicht ohne weiteres möglich gewesen wäre, wurden die Schäden an den Laufrädern, welche auf Basis von Feldmessungen eruiert wurden, künstlich angebracht. Das Prognosemodell wurde an realen Anlagen validiert und getestet. Für die Anlage in Fieschertal ergaben sich Abweichungen vom gemessenen und der vom Prognosemodell berechneten Wirkungsgradeinbussen im Bereich von ±0.2%. Für eine verlässliche Prognose der momentanen Wirkungsgradeinbusse gegenüber einem neuwertigen Laufrad muss der Anlagenbetreiber einerseits mit einfachen Mitteln die Abrasion an seinen Peltonbecher vermessen und andererseits die allgemeinen Betriebsdaten seiner Anlage kennen und beziffern können. Die Vorhersage der Wirkungsgradeinbusse ermöglicht den Anlagenbetreibern ihre Revisionsintervalle zu optimieren und dadurch Kosten einzusparen.

Schlussbericht (Englisch)

The Lucerne University of Applied Sciences and Arts T&A carried out the R&D project "PELAB" (Prediction of efficiency losses due to abrasion), which was supported by the Swiss Federal Office of Energy (SFOE) and Axpo Power AG, and created a prediction model that can calculate efficiency losses of abraded Pelton runners. The data stored in the prediction model was measured in a series of measurements in the university's own hydro laboratory on a model Pelton test rig and made transferable in a dimensionless form for large plants. The damages of the impellers, which were determined on the basis of field measurements, were generated artificially, as scaling with water containing sediment would not have been possible. The prediction model was validated and tested on real plants. For the plant in Fieschertal, deviations of ±0.20% were found between the measured efficiency losses and those calculated by the forecast model. For a reliable prediction of the current efficiency loss compared to a new impeller, the plant operator must be able to measure the abrasion on his Pelton buckets with simple means on the one hand and quantify the general operating data of his plant on the other. Predicting the loss of efficiency enables plant operators to optimize their inspection intervals and thus save costs.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 79'735 kB

Schlussbericht (Französisch)

La Haute école de Lucerne T&A a réalisé le projet de R&D "PELAB" (Prediction of Efficiency Losses due to Abrasion), soutenu par l’Office fédéral de l’énergie (OFEN) et Axpo Power AG, et a développé un modèle de prévision permettant de calculer les pertes de rendement des roues Pelton abrasées. Les données intégrées dans le modèle de prévision proviennent d’une série d’analyses expérimentales et de mesures effectuées dans le laboratoire hydraulique de la haute école sur une installation modèle de roue Pelton. Ces données ont été transposées sous une forme adimensionnelle pour les rendre applicables aux grandes installations. Pour ce faire, les dommages sur les roues ont été générés artificiellement, car une mise à l’échelle avec de l’eau chargée en sédiments n’aurait pas été possible. Les modifications géométriques dues aux dommages ont été déterminées sur la base de mesures effectuées sur le terrain. Le modèle de prévision a été validé et testé sur des installations réelles. Pour la centrale hydroélectrique de Fieschertal, les écarts entre les pertes de rendement mesurées et celles calculées par le modèle de prévision ont été de l’ordre de ±0.20%. Pour établir une prévision fiable des pertes de rendement instantanées par rapport à une roue neuve, l’exploitant de l’installation doit, d’une part, mesurer l’abrasion de ses augets Pelton avec des moyens simples et, d’autre part, relever les données d’exploitation générales de son installation. La prévision des pertes de rendement permet aux exploitants d’installations d’optimiser leurs intervalles de révision et de réaliser ainsi des économies.