Hydraulische Verluste an Wasserschlossdrosseln

Aktuelle Projekte befassen sich mit dem Bau und der Effizienz von Wasserschlössern. Der Einsatz von Drosseln als Bauteil zur Verbesserung der Dämpfung in einem Wasserschloss ist besonders in Österreich weit verbreitet. Der Bau von Wasserkraftanlagen erlebte in den 1960er und 1970er Jahren eine Hochphase, daher wurde auch bereits ein Großteil der Forschungsarbeit an Wasserschlossdrosseln und Blendenströmungen in dieser Zeit durchgeführt (Seeber 1970, King 1969 ). Messgeräte, Auswertetechnik und Datenverarbeitung haben sich seither enorm weiterentwickelt und verbessert. Dadurch sind neue und genauere wissenschaftliche Untersuchungen möglich. Ebenso entwickelt sich auch die Tunnelbautechnik weiter. Geometrisch aufwändigere Kavernen, Stollen und Schächte ermöglichen neue effiziente Wasserschlossgeometrien (z.B. Dreikammerwasserschloss, Larcher et al. 2007). Für viele Projekte besteht ein Optimierungspotenzial in der Gestaltung des Wasserschlosses, da die Nachfrage an schnell zuschaltbarer Kraftwerksleistung durch die internationale Entwicklung des Strommarktes enorm zugenommen hat. Eine solche Leistungssteigerung und Optimierung des effektiven Betriebs können und werden heutzutage auch an bestehenden Wasserkraftanlagen umgesetzt. Die Leistungsverbesserung von Altanlagen ist nicht nur im Hinblick auf die sehr aufwändig gewordenen Zulassungsverfahren (UVE, UVP) im Zuge eines Neubaus interessant, sondern können auch mit notwendig gewordenen Instandsetzungsarbeiten verknüpft werden. Speziell die Optimierung der Wasserschlossfunktion eines Pumpspeicherkraftwerkes kann entscheidende Vorteile erwirken. Schnelleres Umschalten und kürzere Anlaufzeiten ermöglichen es den Kraftwerksbetreibern, den Anforderungen des Strommarktes gerecht zu werden. Kammer- und Differentialwasserschlösser tragen wesentlich dazu bei. Drosseln und eine gezielte Belüftung sind daher in vielen modernen Wasserschlössern fester Bestandteil. Die Komplexität der Wasserströme steigert sich durch diese Einbauten und fordert wiederum individuelle Untersuchungen und Simulationen. 3D - numerische Simulationen sind heutzutage sehr beliebt und werden stetig verbessert. Jedoch stoßen auch numerische Simulationen bei Wasserluftgemischen, Kavitation und abreißender Wassersäule schnell an ihre Grenzen (Huber 2010, Mansoori 2007, Richter 2012). Physikalische Modellversuche sind daher meist unumgänglich, wobei wiederum Faktoren wie z.B. Maßstabseffekte, Abweichungen der Messgenauigkeiten und Modellgrenzen beachtet werden müssen. Durch genaue und zuverlässige Modelle werden die verbleibenden Unsicherheiten minimiert und pauschale Sicherheitsaufschläge bei der Dimensionierung können so reduziert werden. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der physikalischen Untersuchung der Verlustbeiwerte bei Wasserschlossdrosseln. Dabei geht es nicht nur um die reine Bestimmung des Verlustbeiwertes, sondern auch um verschiedenste Einflussgrößen bei der Bestimmung des Verlustbeiwertes von anderen Faktoren. Nach der klassischen Formel von Bernoulli kann der Verlustbeiwert aus den Messgrößen Geschwindigkeit und Differenzdruck berechnet werden. Verschiedene Veröffentlichungen und Untersuchungen zeigen jedoch, dass noch weitere Parameter einen Einfluss auf den lokalen Verlustbeiwert haben (OMEGA 1995, Roberson & Crowe 1997). In dieser Arbeit werden unter Verwendung von aktueller Messtechnik diese Abhängigkeiten vertieft untersucht. Dabei wird nicht nur der Einfluss bekannter Parameter betrachtet, sondern auch auf weitere Faktoren wie z.B. Belüftung, Einbausituation, Systemdruck und Kavitation eingegangen. Ein individuell steuerbarer Versuchsaufbau soll Aufschluss darüber geben, ob weitere Abhängigkeiten bei der Bestimmung des Verlustbeiwertes eine Rolle spielen und unter bestimmten Umständen berücksichtigt werden müssen. Ziel ist es, möglichst alle Einflussgrößen in Bezug auf den Verlustbeiwert zu identifizieren und ihre Einflussnahme zu interpretieren.Hydropower projects which are constructed these days have to deal with the efficiency of surge tank throttles. Installing a throttle to improve its damping and reduce the excavated volume is a common way in modern surge tank design. The construction of hydro power plants reached its peak in the 1960s and 1970s. During that time a main part of the investigations on surge tanks, throttles and orifice flows could be achieved (Seeber 1970, King 1969). The developments in hard- and software of measuring devices and data analysis were enormous within the last decades. These improvements allowed new investigations with high accuracy and reopened doors for scientific research on this topic. Also new tunnelling techniques were achieved, which offer the possibility to build more geometrical diverse caverns, shafts and tunnels (Larcher et al. 2007). Individual solutions with a high level of optimization regarding the specific requirements and site specific geological conditions can improve the efficiency, for example by improving the surge tank layout. These improvements could also be applied to existing power plants. The reconstruction of old power stations is also of economic interest, mainly because of the growing complexity in the authorization process of new power plants. Additionally, new optimized designs can be installed during or instead of maintenance works on older power plants. Another important aspect for the research in surge tank optimization is the growing pump-storage-power plant demand. Modern surge tank design with differential and throttling functions are shortening the down times of these facilities. The switching time from generating to pumping mode can be reduced down to a few minutes, even for large pump-storage-plants. This can be a cost effective advantage in the fast changing electricity market. Aerated surge tank throttles are common practice in the hydro power industry nowadays. The complexity in calculating and foreseeing the behaviour of these modern surge tanks, compared to a classic surge shaft is far from simple. Therefore, the demand of individual simulation techniques and specialized physical testing procedures is obvious. Numeric simulations are getting more and more popular. The accuracy is increasing and regarding the time and effort numerical simulations are excelled. Only some phenomena are difficult or impossible to simulate. When it comes to air-water mixtures, cavitation or the separation of the water column most of the common numerical simulation methods are not capable of taking this into account. Special turbulence models and explicit add-ons are used and are still in development to improve these problems (Huber 2010, Richter 2012). For this reason the physical modelling is still one part of hydraulic testing. Most of the models are scaled by a certain factor to fit in a laboratory. Of course there are limitations in physical scale modelling, too. The main problems are scale effects, accuracy of measuring devices or the boundary conditions (Kobus 1978 , Pfister & Chanson 2013). For all simulation and modelling techniques it is imperative to minimize the uncertainties, so that the safety coefficients can be reduced or eliminated. The aim of the Ph.D. dissertation is the detailed investigation of the hydraulic loss coefficients of a surge tank throttle. Hereby, the main focus is on the dependency of various factors on the loss coefficient. By the classic theory of Bernoulli (Herwig 2004) the only parameters needed to determine the local loss coefficients are the pressure difference and the velocities. Several publications and research are showing that there are more parameters to be considered for the local losses (OMEGA 1995, Roberson & Crowe 1997). For this dissertation a specific model test was constructed and high end measuring equipment applied. The objective is to investigate the effects on the hydraulic loss coefficient in particular. For this reason the influence on air entrainment, system pressure and cavitation was recorded and the influence on the loss coefficient determined. The goal is to identify all relevant values that are affecting the hydraulic losses of a surge tank throttle.Christoph MatzkeAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersUniversität Innsbruck, Dissertation, 2017OeBB(VLID)203908