MESSTECHNIK IN DER WASSERKRAFTAuch wenn der Trend in Richtung numerische Simulation geht, sind experimentelle Untersuchungen von hydraulischen

Strömungsmaschinen oft unabdingbar und notwendig. Sei es zur Verifizierung von numerischen Resultaten, für

Entwicklungs- und Grundlagenversuche oder für Abnahmeversuche an Modellen oder Realmaschinen. Grundlage und

Voraussetzung für den Erfolg dieser Versuche ist die dabei angewandte Messtechnik.

ESTIMMUNG DES WIRKUNGSGRADESDie Messtechnik im Bereich der hydraulischen Strömungsma-schinen bedient sich eines breiten Spektrums von verschieden-

sten Messgeräten zur Erfassung der relevanten physikalischen Größen.So sind beispielsweise zur Bestimmung des hydraulischen Wirkungs-grades einer Strömungsmaschine die Messgrößen Druck p, DurchflussQ, Drehmoment T und Drehzahl n sowie die Temperatur Θ unerläss-lich. Die Messung erfolgt je nach Größe der Maschine bzw. Machbar-keit im Labor oder an der Realmaschine im Feld. Mit dem folgendenformellen Zusammenhang wird die Fall- bzw. Förderhöhe errechnet.Die Geschwindigkeiten in den Referenzebenen (Abbildung 1) werdenüber den gemessenen Durchfluss und die durchflossene Fläche ermit-telt.

hydraulische Leistung

mechanische Leistung mit

Der Wirkungsgrad ergibt sich letztendlich aus dem Quotienten dermechanischen, an der Welle abgegebenen – oder aufgenommenenLeistung und der hydraulischen, von der Anlage dargebotenen – oderihr zugeführten Leistung, je nachdem ob die Maschine als Pumpe oderTurbine betrieben wird. Er ist ein wirtschaftlicher Indikator für dieEffizienz einer Maschine.

Pumpebzw.

Turbine

von DI Mark Guggenberger, Dipl.-Ing. (FH) Florian Senn und O.Univ.-Prof. DI Dr.techn. Helmut Jaberg

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Abbildung 1: Referenzebenen zur Bestimmung derFall-/Förderhöhe in Anlehnung an IEC 60193:1999

WIE HOCH IST DER JÄHRLICHE ERTRAG?Zur Untersuchung der Wirtschaftlichkeit einer Wasserkraftanlage istes erforderlich, deren Effizienz möglichst genau zu bestimmen. Auseiner exemplarisch angenommenen Messunsicherheit in der Bestim-

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Titelfoto: 4-Quadranten-Hauptprüfstand zurUntersuchung von skalierten Modellen oderPrototypen am HFM-Institut der TU Graz

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Qualität der Erkenntnisse bei Grundlagen- sowie Auftragsforschungbei. Dieses kann vollautomatisch Messsignale unterschiedlicher physi-kalischer Größen einlesen, verarbeiten, darstellen und in frei wählbarerDatenstruktur ausgeben. Die hardwareseitige Erfassung der quasi-sta-tionären oder dynamischen Messdaten (Abbildung 4) erfolgt dabei miteiner modular zusammensetzbaren Messeinrichtung aus dem Hause„National Instruments“.

Bis zu 200.000 Werte pro Sekunde und Kanal können abgetastet wer-den, was eine Voraussetzung für eine fehlerfreie Digitalisierung, insbe-sondere von hochdynamischen Messsignalen, darstellt. Die computer-gestützte Messung als Basis der modernen Messtechnik ist aus demLabor nicht mehr wegzudenken und hat neben der Datenerfassung dieSignalkonditionierung, die Visualisierung sowie die Aufzeichnung undAusgabe von teils beträchtlichen Datenmengen zur Aufgabe.Komplexe Messaufgaben können durch flexibel kombinierbareModule mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anschlussmöglich-keiten zeitnah gelöst werden.

LEISTUNGSFÄHIGE SOFTWAREEin in Eigenentwicklung geschriebenes Messprogramm ermöglichteine komfortable Erfassung und Kontrolle der Messdaten in Echtzeit.Mit einer zweckmäßig gestalteten grafischen Benutzeroberfläche undeiner visuellen Rückmeldung wird der Experimentator in seinerTätigkeit unterstützt (Abbildung 5).

Eine softwareseitige Schnittstelle erlaubt die Verwendung vonSensoren mit unterschiedlichen physikalischen Ausgangsgrößen.Zusätzlich kann jedem Messkanal eine eigene Kalibrationskurve hin-

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mung des Wirkungsgrades resultiert eine finanzielle Unschärfe im jähr-lichen Ertrag. Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung, welcheauf einer angenommenen Jahresarbeitszahl von 8000 Stunden undeinem durchschnittlichen Ertrag von fünf Cent pro verkaufterKilowattstunde basiert. Auf der Abszisse ist die Nennleistung derMaschine aufgetragen. Je nach Genauigkeit des ermittelten Wirkungs-grades lässt sich die Unsicherheit des Ertrags auf der Ordinate ablesen.Dieses messtechnisch triviale, praktisch jedoch bedeutende Beispiel solldie Auswirkung von Messfehlern aufzeigen, hat allerdings keinen An-spruch auf Vollständigkeit.

MESSFEHLER IM PROMILLEBEREICHBei Abnahmeversuchen an Modellmaschinen, die bis heute die Basisjeder großen Ausschreibung und Vergabe der hydraulischenAusstattung von Wasserkraftanlagen darstellen, ist eine sehr hoheMessgenauigkeit erforderlich. Diese Messungen werden als Ersatz fürden Abnahmeversuch an der Großausführung verwendet (Abbildung3). Selbstverständlich sind dabei alle Messfehler möglichst gering zuhalten, um auch kleinste Änderungen des Wirkungsgrades imPromillebereich zuverlässig ermitteln zu können. Präzisionsprüfstände,wie der am Institut für hydraulische Strömungsmaschinen der TUGraz, sind nötig, um neben dem Erreichen der Garantiewerte auchden Wirkungsgrad im Teillastbetrieb sowie das Kavitationsverhaltenzu untersuchen.

MODERNES ELEKTRONISCHES MESSSYSTEMFür die exakte Durchführung eines Versuchs wird im institutseigenenLabor aktuell mit einem elektronischen, IEC-konformen Messsystemauf dem letzten Stand der Technik gearbeitet und trägt wesentlich zur

Abbildung 3: Aufgezeichnetes Turbinenkennfeld Grafik: TU Graz HFM

Abbildung 4: Beispiel für dynamische Messung einer Francisturbine: Druckpulsations-

messungen an verschiedenen Betriebspunkten mit normierter Drehfrequenz als norm-

konformes Wasserfalldiagramm dargestellt Grafik: TU Graz HFM

Abbildung 5: Grafische Benutzeroberfläche der institutseigenen Messsoftware

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Abbildung 2: Unsicherheit des Ertrags über der Nennleistung der Maschine je nachGenauigkeit des ermittelten Wirkungsgrades Grafik: TU Graz HFM

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terlegt werden, um die höchstmögliche Genauigkeit sicherzustellenDie Versuchsdurchführung ist mit einer direkten Versuchsauswertunggekoppelt, so dass kosten- und zeitintensive Nachmessungen entfallen.Im Sekunden-Takt werden die gemessenen Rohdaten der eingesetztenSensorik unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Größen indie Leistungsdaten umgewandelt und angezeigt. Die Visualisierungdieser Augenblickswerte gestattet eine hohe Messgenauigkeit, daschwankende Messwerte erkannt und stationäre Zustände abgewartetwerden können. Randbedingungen, welche das Experiment ungewolltbeeinflussen, können damit ausgeschlossen werden. Zusätzlich kanndie Qualität der Messung, wie beispielsweise die Reproduzierbarkeitvon Kennlinien, direkt am Bildschirm kontrolliert werden. Ausge-wählte Betriebspunkte lassen sich explizit einstellen, wiederholt messenund im Zweifelsfall auch durch die aufgezeichneten physikalischenGrößen genauer analysieren.

GEEIGNETE MESSMETHODE AUSWÄHLENDas anwendbare Messverfahren muss aufgrund der unterschiedlichenRahmenbedingungen, wie den Eigenschaften der Messstrecke oder desMessgerätes selbst, für den jeweiligen Bedarfsfall ausgewählt werden.Für konkrete Anwendungen haben sich spezielle Messverfahren eta-bliert, so dass eine Vielzahl von Möglichkeiten existiert, die relevantenphysikalischen Größen zu ermitteln. Als exemplarisches Beispiel sollenhierfür unterschiedliche Möglichkeiten zur Durchflussmessung ange-führt werden. Keine andere Messgröße in der Wasserkraft ist durch soviele Verfahren bestimmbar. Man unterscheidet dabei grundsätzlichzwischen primären und sekundären Methoden. Die direkten Messme-thoden werden aufgrund ihrer hohen Genauigkeit zur Eichung undKalibrierung von Durchflussmessgeräten im Labor eingesetzt. Der zeit-lich gemittelte Durchfluss wird dabei über die in einem definiertenZeitraum zugeflossene Masse, welche sich als Differenz aus den Wä-gungen vor und nach dem Zufluss ergibt, bestimmt. Mit Hilfe einerzusätzlich gemessenen Temperatur lassen sich die Dichte und damitder Volumenstrom ermitteln. Sekundärmethoden zur Messung desDurchflusses beruhen beispielsweise auf dem Wirkdruck, derGeschwindigkeit, der elektromagnetischen Induktion, dem Coriolis-Effekt oder der Wirbelfrequenz. In Prüfständen ohne freie Oberflä-chen kommen üblicherweise Venturi-Rohre sowie induktive Durch-flussmessgeräte zum Einsatz.

AKUSTISCHE DURCHFLUSSMESSUNGEine sehr flexible Messmethode zur Bestimmung des Durchflusses,ohne Rückwirkung auf das strömende Medium, ist die akustischeDurchflussmessung mittels Laufzeitdifferenzmethode. In einemruhenden Fluid breiten sich die Druckänderungen eines Schallsignalsnach allen Richtungen mit der Schallgeschwindigkeit a aus. In beweg-ten Flüssigkeiten jedoch, ändert sich die Relativgeschwindigkeit desSchalls mit der Fluidgeschwindigkeit. Zeigt die Strömungsrichtung desMediums in Ausbreitungsrichtung der Schallwellen, dann überlagernsich deren Geschwindigkeiten zu a + w. Entgegen der Strömungsrich-tung ergibt sich die resultierende Geschwindigkeit a - w. Das bedeutet,ein akustisches Signal braucht gegen die Strömung länger als mit derStrömung, um eine definierte Messstrecke zu durchlaufen. Die dabeiresultierende Laufzeitdifferenz ist ein Maß für die mittlereStrömungsgeschwindigkeit wm, aus welcher dann durch die bekannteFläche A der Durchfluss Q bestimmt werden kann. Da aber bereitskleine Temperaturschwankungen die Schallgeschwindigkeit a sobeträchtlich verändern (ra = 3,7m/s für Wasser bei rΘ = 1°C), dassdie Änderung ra in der Größenordnung des Messwertes wm und dar-über liegen kann, subtrahiert man die beiden Gleichungen und erhältso einen von der Schallgeschwindigkeit unabhängigen Zusammenhang

(Abbildung 6). Dies erreicht man durch gleichzeitige Messung derLaufzeiten t1 und t2. Die beschriebene Methode ist die genaueste fürgroße Rohrdurchmesser; experimentell wurden mit innenliegendenSensoren bereits Genauigkeiten von unter 5 Promille nachgewiesen.Momentan wird die Möglichkeit des Einsatzes von neu entwickeltenClamp-On-Sensoren für Anlagenmessungen am Institut untersucht.Diese werden magnetisch an der Außenwand eines Stahlrohrs odermittels Klebstoff an einem GFK-Rohr angebracht und haben denVorteil, dass keine Modifikationen an der Rohrleitung vorgenommenwerden müssen. Der Anlagenbetrieb wird durch die Messung nichtgestört, und trotzdem werden Genauigkeiten wie mit innenliegendenSensoren erreicht.

THERMODYNAMISCHE WIRKUNGSGRADMESSUNG AN MASCHINENAbnahmeversuche bei hydraulischen Strömungsmaschinen dienendem Nachweis der zwischen Auftraggeber und Hersteller vereinbartentechnischen, hydraulischen und mechanischen Garantien. EineMöglichkeit, die Einhaltung der vereinbarten Effizienz einesWasserkraftwerks zu bestimmen, ist die thermodynamischeWirkungsgradmessung, welche ebenfalls vom Institut für hydraulischeStrömungsmaschinen durchgeführt wird. Der Vorteil dieser Methodeist, dass keine Durchflussmessung erforderlich ist, um die Effizienz zuermitteln. Diese ist in einer Anlage aufwendig zu realisieren undzumeist nicht sehr exakt. Das Verfahren beruht auf derTemperaturerhöhung, die durch Strömungsverluste in hydraulischenStrömungsmaschinen auftritt und ein Maß für die hydraulischenVerluste bzw. für den Wirkungsgrad ist. Mittels Entnahmesondenwerden kleine Wassermengen abgezweigt, um in Messkammern denDruck und die Temperatur des durchfließenden Wassers zu messen.Durch die geringe Temperaturerhöhung des Wassers (1°CTemperaturerhöhung entspricht einer Verlusthöhe von 427m) wirddiese Messmethode eher bei Fall- bzw. Förderhöhen eingesetzt, diemehr als 100m betragen. Die Temperatur muss dabei auf 0,001°Cgenau bestimmt werden, was eine hohe Anforderung für die verwen-dete Temperatur-Sensorik bedeutet. Die Genauigkeit der Wirkungs-gradmessung geht einher mit der perfekt in das Messsystem implemen-tierten Temperaturmessung. Der Gesamtwirkungsgrad kann hierbeitypischerweise unter zwei Prozent genau bestimmt werden.

UNTERSUCHUNGEN ABSEITS DES OPTIMUMSBei hydraulischen Strömungsmaschinen sind aber nicht nur hoheSpitzenwirkungsgrade von Bedeutung. Die Rolle der Wasserkrafterweitert sich durch die Integration der volatilen Energiequellen vonder erneuerbaren Energiegewinnung zur Sicherstellung der System-sicherheit, wirtschaftlichen Speicherung der Energie und raschenVerfügbarkeit sowie Regelbarkeit in einem weiten Leistungsbereich.

Abb.6: Schematische Darstellung des Messprinzips einer akustischen Durchflussmessung

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Fernab des Optimums treten jedoch unerwünschte Effekte wieKavitation oder Sekundärströmungen auf, welche das Betriebsverhal-ten einer Strömungsmaschine stark beeinflussen. KostspieligeNachbesserungen am Kraftwerk oder reduzierte Einsatzbereiche derMaschinen sind die Folge. Diese Effekte sind mit konventioneller (sta-tionärer) Messtechnik nicht mehr greifbar. Um auch diese Phänomenezu untersuchen, werden an Prüfständen Methoden zur Visualisierungder Strömung eingesetzt. Kavitationsaufnahmen, die mit Hilfe desstroboskopischen Effekts und geeigneten Kameras gemacht werden,sind nach wie vor ein sinnvolles Verfahren zur qualitativenKavitationsbeurteilung. Hochleistungsblitzlampen, deren Blitzfre-quenz an die Drehzahl des rotierenden Objektes angeglichen wird,ermöglichen eine scheinbar stehende Aufnahme vom sich drehendenKörper. Auf diese Weise werden kavitationsgefährdete Bereiche anModellmaschinen analysiert und dokumentiert (Abbildung 7).

MODERNE STRÖMUNGSVISUALISIERUNGUm nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Strömungsvisu-alisierungen durchzuführen, eignet sich beispielsweise die am Institutin vielen eigenen und industriellen Forschungsprojekten erfolgreicheingesetzte Particle Image Velocimetry, kurz PIV genannt (Abb. 8).

Mit diesem laseroptischen Messverfahren können Geschwindigkeits-verteilungen in kompletten Strömungsfeldern gemessen werden. Undzwar mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung. Mit einemHochleistungslaser und entsprechender Optik wird ein gepulsterLichtschnitt für wenige Nanosekunden in die zu untersuchendeStrömung eingebracht. Der zeitliche Abstand zwischen den Laserblit-zen wird vor der Messung festgelegt. Orthogonal zur beleuchtetenEbene ist eine Hochgeschwindigkeitskamera ausgerichtet, welchemikroskopisch kleine Partikel, die dem Wasser beigemengt werden,fotografiert. Der von einem Partikel zurückgelegte Weg zwischen zweieinzelnen Aufnahmen ist dadurch bekannt. Mit dem für den Laserpulsvorgegebenen Zeitintervall lässt sich dann die jeweilige Geschwindig-keit berechnen. Voraussetzung für eine exakte Messung ist ein gutesFolgevermögen der beigemengten Partikel. Diese bestehen beispiels-weise aus Polyamid oder silberbeschichteten Glaskugeln imGrößenbereich von einigen Mikrometern.Ein weiteres Einsatzgebiet der optischen Strömungsmesstechnik in derWasserkraft ist die Verifikation von numerischen Strömungsberech-nungen. Immer leistungsfähigere Kamera-, Speicher-, und Computer-systeme haben in Kombination mit Verfahren wie der bereits genann-ten Particle Image Velocimetry, der Laser Doppler Anemometry oderdem Particle Tracking dazu beigetragen, dass Turbulenzmodelle empi-risch angepasst werden.

Literaturhinweise:[1] Profos, P., Pfeifer T., Handbuch der industriellen Meßtechnik, R.Oldenburg Verlag, 1994.[2] Hoffmann, J., Handbuch der Messtechnik, Hanser-Verlag, 2006.[3] Nitsche, W., Brunn, A., Strömungsmesstechnik, Springer-Verlag,2006.[4] Raffel, M., Willert, Ch. E., Wereley, S. T., Kompenhans, J., ParticleImage Velocimetry: A Practical Guide, Springer-Verlag, 2007.[5] ISO 9906:2012, Rotodynamic pumps – Hydraulic performanceacceptance tests – Grades 1, 2 and 3.[6] IEC 60193:1999, Hydraulic turbines, storage pumps and pump-tur-bines – Model acceptance tests.[7] IEC 60041:1991, Field acceptance tests to determine the hydraulicperformance of hydraulic turbines, storage pumps and pumpturbines.

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Autoren:

Dipl.-Ing. Mark Guggenberger

Dipl.-Ing. (FH) Florian Sennbeides wissenschaftliche Mitarbeiter

O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Helmut JabergInstitutsvorstand

Institut für Hydraulische Strömungsmaschinender Technischen Universität GrazKopernikusgasse 24/IVA-8010 Graz

mark.guggenberger@tugraz.atflorian.senn@tugraz.at

http://www.hfm.tugraz.at

Abbildung 8: Laserkontrollbereich der institutsintern durchgeführten PIV-Messung

Abbildung 7: Strömungsvisualisierung eines Kavitations-Überlastzopfs einer Francis-Turbine Foto: TU Graz HFM

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