Luftbedarf von Freistrahlturbinen im Gegendruckbetrieb

Abstract

Unter Energierückgewinnung versteht man einen Prozess, bei welchem bereits genutzte Energie, die sonst verloren ginge, wiederverwendet wird. In der Trinkwasserversorgung wird die Energierückgewinnung bereits seit längerer Zeit praktiziert, jedoch liegt im süddeutschen Raum, vor allem an Übergabeschächten oder Behältereinläufen, noch ungenutztes Potential im kleineren Leistungsbereich vor. Um dieses Potential zu erschließen, könnte mit der sogenannten Gegendruckpeltonturbine ein Maschinentyp zum Einsatz kommen, welcher in der Schweiz bereits erfolgreich zur Energierückgewinnung eingesetzt wird. Die Gegendruckpeltonturbine wurde entwickelt, da sie im Gegensatz zur klassischen Pelton-Turbine unabhängig vom Unterwasserstand und somit universell eingesetzt werden kann. Hierfür muss ein Luftpolster über externe Belüftungssysteme in das Turbinengehäuse eingebracht werden, welches dafür sorgt, dass das Unterwasser den notwendigen Freihang nicht unterschreitet. Vorteile bietet der Einsatz der Gegendruckpeltonturbine vor allem bei variierenden Abflüssen, da dieser Maschinentyp bereits bei relativ geringen Beaufschlagungen einen hohen Wirkungsgrad aufweist und somit Energiepotentiale im Teillastbereich effizient genutzt werden können.

In bestimmten Betriebsbereichen der Maschine kann es systembedingt zu Luftaustragsprozessen aus dem Turbinengehäuse kommen. Diese Prozesse sind unerwünscht, da sie zu einer Verminderung der Transportkapazität im unterwasserseitigen Rohrleitungssystem führen und einen zusätzlichen Energieaufwand zur Aufrechterhaltung des Luftpolsters erfordern. Die dem Gehäuse über externe Belüftungssysteme zugeführte Luftmenge wird auch als Luftbedarf bezeichnet und im Rahmen der vorliegenden Arbeit an einer Versuchsturbine im Gegendruckbetrieb untersucht. Diese Untersuchungen sind notwendig, um die Betriebsparameter- und Geometrieabhängigkeit des Luftbedarfs im Kleinwasserkraftbereich zu ermitteln sowie die Maschine im Hinblick auf eine Verminderung des Luftbedarfs zu optimieren.

Luftbedarf von Freistrahlturbinen im Gegendruckbetrieb

Für die Untersuchungen an der Gegendruckpeltonturbine werden der ungelöste und der gelöste Luftbedarf in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern der Maschine sowie bei unterschiedlichen Gehäusekonfigurationen separat erfasst. Da den genannten Luftbedarfsanteilen unterschiedliche physikalische Ein- und Austragsmechanismen zugrunde liegen, ist diese Differenzierung für eine Optimierung der Gehäusegeometrie erforderlich. Die Ergebnisse der Untersuchungen des gelösten Luftbedarfs zeigen, dass nahezu maximale Sättigungswerte im Turbinengehäuse erreicht werden und der gelöste Luftbedarf bei höheren Drücken sowie bei größeren Lieferziffern zunimmt. Zusammenfassend ist mit einem höheren gelösten Luftbedarf im Gegendruckbetrieb zu rechnen, welcher anhand der durchgeführten Messungen bereits sehr gut in der Planungsphase quantifiziert werden kann. Um Luftanteile im unterwasserseitigen Rohrleitungssystem beim Einsatz von Freistrahlturbinen im Gegendruckbetrieb zu vermeiden, wird die Installation von Luftabscheidern an Hochpunkten des nachgeordneten Systems empfohlen.

Der ungelöste Luftbedarf hängt hauptsächlich von der Laufzahl, der Schaufelauslastung, dem Gehäusewasserstand und der Lieferziffer ab und kann über eine entsprechende Dimensionierung des Gehäuses der Gegendruckpeltonturbine minimiert werden. Für die Bestimmung geometrischer Gehäuseabmessungen zu planender Anlagen werden Bemessungsformeln abgeleitet, welche zeigen, dass die Eindringtiefe einen wichtigen Parameter zur Dimensionierung der Gehäusehöhe darstellt. Weiterhin kann der ungelöste Luftbedarf durch die Implementierung von Gehäuseeinbauten, auch bei bestehenden Anlagen, reduziert werden. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Implementierung von Strömungsgleichrichtern, durch welche eine Verringerung des ungelösten Luftbedarfs um über 90% im Vergleich zum Gehäuse ohne Einbauten erreicht wird.

Eindringtiefe eintauchender Freistrahlen

Bestehende empirische Korrelationen zur Bestimmung der Eindringtiefe sind nicht auf die Prozesse im Gehäuse einer Freistrahlturbine übertragbar. So zeigen Beobachtungen im Unterwasser von Freistrahlturbinen, dass die Eindringtiefen bei der Anwendung dieser Formeln auf die Strömungsvorgänge im Gehäuse unterschätzt werden. Der Grund hierfür liegt an einem sehr kleinen Durchflussbereich, in welchem die bisherigen Untersuchungen eintauchender Freistrahlen durchgeführt wurden. Bei größeren Durchflüssen erhöht sich jedoch der Impuls des eintauchenden Wasserstrahls, was zu einer höheren Lufteintragsrate und somit zu einer Herabsetzung der Dichte des aufnehmenden Mediums führt. Letztendlich bedingen die genannten Effekte eine Zunahme der Eindringtiefe bei höheren Durchflüssen. Um die Prozesse im Gehäuse von Freistrahlturbinen abbilden zu können, ist eine Erweiterung des untersuchten Durchflussbereiches unerlässlich. Diese Untersuchungen der Eindringtiefe eintauchender Freistrahlen werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit durchgeführt. Die gemessenen Eindringtiefen von bis zu 170 cm bestätigen die Beobachtungen der Strömungsvorgänge in Naturanlagen, bei welchen eindringende Luftblasen über die gesamte Wassertiefe am Beginn des Unterwasserkanals beobachtet wurden.

Die Ergebnisse der Eindringtiefenmessungen werden mit Daten aus veröffentlichten Untersuchungen zu einer Datenbasis zusammengefasst und für eine mathematische Modellierung der Eindringtiefe verwendet. Hierbei kommen neuronale Netze zum Einsatz, welche aufgrund ihrer Lernfähigkeit in der Lage sind, komplexe Zusammenhänge, wie sie beim Lufteintragsprozess zweifelsfrei vorliegen, zu approximieren. Als Eingabeparameter werden der Impulsfluss an der Eintrittsstelle sowie die Strahllänge gewählt; die Netzausgabe erfolgt in Form der Eindringtiefe. Durch diese geschickte Parameterwahl kann die Netzantwort graphisch als Fläche über den Eingabeparametern aufgetragen werden. Im Zuge der Modellbildung wird die Anzahl der versteckten Neuronen im Hinblick auf eine universelle Anwendbarkeit des Netzes optimiert. Das optimierte Modell besitzt eine versteckte Schicht mit drei Neuronen und liefert auch im nicht mit Messdaten abgedeckten Anwendungsbereich physikalisch sinnvolle Lösungen. Im Vergleich mit den berechneten Eindringtiefen anderer Ansätze weist die Netzausgabe des neuronalen Modells einen geringeren Fehler und ein höheres Bestimmtheitsmaß auf. Der Einsatz des neuronalen Modells wird für weitere Anwendungen ermöglicht, indem Berechnungsvorschriften sowie die im Zuge des Trainings angepassten Gewichtsmatrizen und Biaswerte angegeben werden.

Energy recovery is defined as a process, where utilized energy is being reused. In drinking water supply systems, energy recovery has already been applied for a long time. However, there is still unused potential, especially in the range of low installed capacities, for example at transfer shafts or tank-inlets in the southern part of Germany. The so-called counter pressure Pelton turbine, which has been successfully implemented for energy recovery purposes in Switzerland, could be used to exploit this potential. This machine type was developed because the counter pressure operation enhances a more arbitrary installation of Pelton turbines without being restricted to the back water level. To maintain the casing water level at normal height, an air cushion must be induced and the casing has to be designed pressure-tight. In comparison to other hydraulic machinery used in the same field of application, Pelton or impulse turbines have efficiency advantages, especially in conditions with varying discharges. This is due to the fact that the runner can be partially loaded while still running without significant losses.

One challenge that arises from the application of this turbine type is the air detrainment that might occur during counter pressure operation. On the one hand, detrained air causes corrosion and other negative effects, such as reduced transport capacity, in the tailwater system. On the other hand, the detrained air has to be replenished, which consumes energy and lowers the efficiency of the hydraulic machinery. In this context, the air supplied into the casing is denoted as air demand and is investigated within the scope of the presented work. This research is necessary to determine the dependency of air demand on operating parameters and on geometrical dimensions of the casing as well as to optimize the machine particularly in view of minimization of air demand.

Air demand of impulse turbines in counter pressure operation

The undissolved and the dissolved air demand of a counter pressure Pelton turbine are investigated separately with regard to various operating parameters and to different configurations of the turbine casing by means of physical model tests. This differentiation of air demands is essential for optimizing the casing geometry since there are different physical entrainment and detrainment mechanisms. In the case of dissolved air demand, nearly full saturation is measured in the turbine casing and there is a clear relation between the amount of dissolved air and the counter pressure as well as the flow rate parameter. It can be concluded that there is always additional dissolved air demand in counter pressure operation, which can be quantified already at planning stage on the basis of the conducted measurements. To prevent the downstream drinking water system from increased air contents during counter pressure operation of impulse turbines, the installation of air removal devices at high points of the tailwater system is advised.

The undissolved air demand depends on geometrical dimensions of the turbine casing, velocity coefficient, casing water-level and the turbine discharge, whereas the counter pressure hardly shows any impact on the undissolved air demand in the tested pressure range. To avoid detrainment of undissolved air, design equations for dimensioning of cylindrical turbine casings are deducted. They reveal that the penetration depth, which has not been investigated thoroughly yet, is a crucial parameter for the design of the turbine casing. For future installations, the dimensioning of the casing diameter and the casing height are recommended in compliance with the developed design rules. The undissolved air demand of existing Pelton-units can be reduced by the implementation of additional installations into the casing. The implementation of a flow straightener leads to a significant reduction of the undissolved air demand up to 90% in comparison to the casing without installations.

Penetration depth of plunging water jets

Observations in the tailwater of impulse turbines show that the penetration depth is underestimated when applying empirical correlations on the complex casing flow. This is due to the fact that present studies on penetration depths have been conducted only in a small flow rate range. In the case of larger flows, the impulse of the plunging jet increases, which leads to higher air entrainment and to density reduction of the ingesting medium. To sum up, the mentioned effects cause a rise of the penetration depth with higher flow rates. An extension of the investigated flow rate range is thus indispensable to model the air entrainment processes in the casing of impulse turbines. These investigations are carried out within the presented work. The measured penetration depths up to 170 cm confirm the observations of flow processes in prototype plants, where penetrating air bubbles were observed over the whole water depth at the beginning of the tailwater channel.

A data basis based upon published studies and conducted measurements is established and a mathematical model is trained and validated on those data. For this purpose, neural networks are used because of their ability to approximate complex functional correlations, such as in the case of air entrainment. The impulse flow at the impinging point and the jet length are selected as input parameter, while the penetration depth is given as net output. By means of this parameter selection, the number of neurons can be minimized and the net output can be plotted as surface, depending on the two input parameters. The number of hidden neurons is equally minimized with regard to an universal applicability of the neural network. The optimized neural network contains one hidden layer with 3 neurons and provides physically reasonable results, also in the application area which is not covered with measurement data. In comparison to the calculated outputs of present empirical correlations, the output of the neural network has smaller errors and determination coefficients. Calculation rules, weight matrices and biases of the trained network are published to enable neural modelling of air entrainment also for further applications.