Entgasung Peltonturbine - Entgasung von Wasser-Luft Gemischen im Unterwasser von Peltonturbinen Wasserkraftanlagen

Durch die derzeit herrschenden Rahmenbedingungen am Europäischen Strommarkt ist die Errichtung von Pumpspeicherkraftwerken wirtschaftlich wieder interessant geworden. Zur optimalen Lastregelung einschließlich „hydraulischem Kurzschluß-Betrieb“ müssen Freistrahl-Turbinen eingesetzt werden. Um den erforderlichen Zulaufdruck für die Speicherpumpe zu erreichen, muss diese zur Vermeidung von Kavitation ausreichend tief unter dem tiefsten Wasserspiegel des Unterbeckens situiert werden. Da bei üblicher Ausführung das Peltonlaufrad mit Freihang über dem Stauziel des Unterbeckens angeordnet wird, kann sich – bei Vermeidung einer getrennten Ausführung von Pumpe und Turbine - eine beträchtliche Höhe des gesamten Maschinensatzes (Generator, Peltonturbine, Wandler, Pumpe) ergeben. Diese kann nur reduziert werden, wenn das Peltonrad unter dem Wasserspiegel des Unterbeckens angeordnet wird (siehe Abbildung); Voraussetzung dafür ist allerdings, dass mittels Luft-Überdruck das Wasser vom Laufrad im sogenannten “Gegendruckbetrieb“ weggedrückt wird. Solche Anlagen existieren bereits seit ca. 1970 in Norwegen. Durch das Auftreffen des Wasserstrahles auf die Becher des Laufrades und das Herabfallen des Wassers in den Unterwasserkanal wird Luft in das Wasser eingetragen. Auf der anschließenden freien Fliesstrecke bis zum Erreichen des Druckabflusses (mit Luftabschluss) muss der Großteil der Luft wieder ausgeschieden werden, da sonst die verloren gegangene Luftmenge nachgepumpt werden muss, was im Dauerbetrieb sehr aufwendig werden kann. Bestimmende Parameter für die Ausgasung der Luft sind Fließgeschwindigkeit, Geometrie der freien Fliessstrecke, Anfangsluftgehalt, Blasendurchmesser, Einbauten, etc. Erfahrungen bei ausgeführten Anlagen haben gezeigt, dass teilweise erheblich mehr Luft nachgepumpt werden muss als ursprünglich projektiert, da derzeit nur grobe Abschätzungsformeln zu den erforderlichen Entgasungslängen der freien Fliessstrecken, des Restluftgehaltes, etc. existieren; fundierte Bemessungsunterlagen fehlen. Es ist vorgesehen, das Forschungsprojekt in drei Phasen zu unterteilen: Phase 1 - Messungen an Großausführungen: Für die Messungen an Großausführungen ist beabsichtigt, zwei oder drei charakteristische Anlagen (Fallhöhe, Wassermenge, Geometrie des Unterwasserkanales) zu untersuchen, bei denen Messungen ohne Störung des laufenden Betriebes möglich sind. Vergleich der gemessenen Werte mit vorhandenen Abschätzungsformeln und Validierung dieser Formeln; Phase 2 - Modellversuche: Die Modellversuche an der Modellfamilie sollen im Glasgerinne im Labor des Institutes durchgeführt werden. Phase 3 - Berechnungsmodell: Die numerischen Strömungsberechnungen werden mit einem CD Programm durchgeführt, das in der Lage ist, Mehrphasenströmungen (Wasser+Luft) zu berechnen, Erstellung eines Berechnungsmodells, aufbauend auf den beiden vorangegangenen Phasen und Erarbeitung von Bemessungsunterlagen.