DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Prüfung und Bewertung von Peltonlaufrädern - unter besonderer Bedachtnahme auf den Trend zu geschmiedeten Laufrädern

Harald Bozic, Peter Hassler, Wolfgang Schnablegger
VERBUND-Austrian Hydro Power, Wien (A)
Kontakt: DI Dr. Peter Hassler

Peltonturbinen ermöglichen die Stromproduktion in Wasserkraftwerken mit den größten Fallhöhen. Ihr einfacher Aufbau ermöglicht die Ausführung kleinster und größter Leistungen bis hin zu ca. 340 MW durch Variation von Drehzahl, Düsenanzahl, Laufradanzahl und Baugröße. Freie Regelbarkeit über nahezu den gesamten Betriebsbereich und rascheste Einsetzbarkeit bringen weitere Vorteile dieser Bauform und damit den heute besonders gefragten Einsatz zur Primär- und Sekundärregelung sowie der Leistungsregelung in den europäischen Stromnetzen.


Bild 1: Speicherkraftwerk mit Peltonturbine

Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Speicherkraftwerksanlage mit Peltonturbine, im wesentlichen gekennzeichnet durch einen oberwasserseitigen Speicher, daran angeschlossen ein Entnahmebauwerk mit nachfolgender Druckleitung bis zum sogenannten "Wasserschloß", welches einen Ausgleich der Druckschwankungen in der Druckrohrleitung über einen freien Wasserspiegel mit besonderer Querschnittsform ermöglicht.

Über eine Schieberkammer, in welcher ein automatisch funktionierendes Absperrorgan installiert ist, wird das Druckwasser zu einem im Krafthaus untergebrachten Kugelschieber und danach über Verteilleitungen an die Düse(n) der Peltonturbine zugeführt. Diese leiten letztlich das Druckwasser über einen freien Wasserstrahl an das Peltonlaufrad weiter, an welchem durch Strömungsumlenkung - mit entsprechend sich ergebenden Impulskräften - die hydraulische Energie in ein Drehmoment umgewandelt wird, das wiederum der Generator in elektrische Energie weiterverwandelt.

Peltonanlagen mit Fallhöhen von ca. 2.000 m ergeben somit Strahlgeschwindigkeiten am Austritt aus der Peltondüse von ca. 700 km/h, was bei einer halb so hohen Umfangsgeschwindigkeit des Peltonlaufrades immer noch eine Relativgeschwindigkeit im Peltonbecher von ca. 350 km/h bedeutet und damit auf ein besonderes Problem des Peltonlaufrades, nämlich die Abrasion hinweist. Die Strömungsumlenkung im Peltonbecher von nahezu 180° erbringt Beschleunigungen bis zu 50.000mal der Erdbeschleunigung. Dies bedeutet, dass ein Sandkorn der Masse von einem Gramm eine Schürfkraft von fünfzig Kilogramm an der Oberfläche des Peltonbechers erzeugt. /1/

In Anbetracht dieser konstruktiv bzw. durch die Natur gegebenen Randbedingungen werden die Betriebsergebnisse und besonderen Vorkommnisse gesammelt und daraus sowohl der Prüfumfang und Betrieb als auch die Instandhaltungs- und Erneuerungsmaßnahmen abgeleitet. /2/

Betriebserfahrungen liegen im Verbundkonzern in großem Ausmaß vor; diese lauten wie folgt: /3/

> 3.000.000 Betriebsstunden
> 1.000 Betriebsjahre
> 27 Peltonturbinen
> 35 Peltonlaufräder
> 77 Düsen
> 5 bis 200 MW Leistung

Charakteristische Schädigungen an den Peltonlaufrädern können wie folgt angegeben werden:


Bild 2:
Kavitationsschaden am Becherrücken eines Peltonbechers

Bild 3:
Peltonbecher mit wellenartiger Erosion, ca. 2 mm tief

Beim Durchgang durch den Wasserstrahl der Düse(n) erfährt der Strahlausschnitt eines Peltonbechers veränderliche Anströmwinkel, die zu Kavitationserscheinungen führen können. In Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit zwischen Wasserstrahl und Peltonbecher, sowie der konstruktiven Gestaltung der Becherrückseite und Qualität des Grundwerkstoffes bilden sich Kavitationsabtragungen, wie beispielhaft in Bild 2 gezeigt.
Deren Sanierung ist nach dem Einsetzen der Abtragung, wegen stark zunehmender Geschwindigkeit der Abrasion bis hin zum Abbruch der Schneidenspitzen relativ häufig erforderlich.

Derartige Schadensbilder ergeben sich in Bereichen von Gussfehlern, nach deren Auswaschung. Großflächig gestörte Oberflächen werden in kurzer Betriebszeit weiter erodiert und erfordern, zumal sie zumeist an mehreren Peltonbechern gleichzeitig auftreten, eine Totalreparatur des Peltonlaufrades. Zu beachten ist auch die Kavitationszone - grauer Bereich in Bild 3 - nach entstandener Erosion, die den Reparaturumfang bedeutend erhöhen kann.


Bild 4:
Peltonbecher mit Reparaturstellen an Poren des Gussstückes

Bild 5:
Peltonbecher mit großer Rissbildung im Bereich des Strahlausschnittes

Bild 6:
Peltonbecher mit Abrasion nach unsachgemäßer Reparatur

Das wohl typischste Bild eines in Gusstechnik hergestellten Peltonlaufrades zeigt obige Darstellung von Reparaturstellen an der sogenannten "Aufgussseite" eines Peltonbechers.
Poren im Gussstück aufgussseitig werden während der Herstellung unzulänglich saniert bzw. Poren im Untergrund nicht erkannt und somit während des normalen Betriebes allmählich freigelegt.
Diese Erscheinung belegt eine weitere, vielfach nicht erfasste Besonderheit des möglichen Abrasionsvorganges an einem Peltonbecher, nämlich eine annähernd gleichmäßige Abtragung über große Bereiche des Becherinneren, die schlussendlich zum Vorliegen einer Art Parallelform führt.
Das Erscheinungsbild des Peltonbechers täuscht durch einen relativ guten Oberflächenzustand im Becherinneren einen ordnungsgemäßen Zustand vor, während bereits wesentliche Abtragungen an den Haupt- und Nebenschneiden durch Nachmessung festgestellt werden müssen.

Peltonlaufräder mit Erscheinungen, wie in Bild 5 aufgenommen, sind für jeden weiteren Betriebseinsatz untauglich, zumal Rissbildungen im Strahlausschnittsbereich infolge konstruktiv bedingter Spannungsspitzen oder reparaturbedingter Restspannungen neben Schweißnähten vorzufinden sind. Derartige Schadensbilder zeigen die besonders schwierig einzuschätzenden Spannungszustände in den vorliegenden dreidimensionalen Gebilden im Schneidenbereich der Peltonlaufräder. Häufig erweisen sich kleinste Poren im Grundwerkstoff als Rissstarter und die schwellende Belastung des Peltonbechers als stark beschleunigender Einfluss auf die Rissausbreitung in den Strahlausschnittsbereichen. Manche Peltonlaufräder zeigen sich als besonders empfindlich im Strahlausschnittsbereich, vor allem dann, wenn die Wandstärken zusätzlich zwecks Erreichens hoher Wirkungsgrade relativ dünn ausgeführt wurden. Diese Fehlererscheinungen bzw. Schadensbilder können tendenziell als "konstrukteursbedingte" und "gusstechnisch bedingte" Erscheinungen eingeordnet werden.

Unsachgemäße Reparatur, z.B. durch Schweißung mittels Elektroden, die nicht dem Grundwerkstoff entsprechen, sind selten an größeren Peltonlaufrädern vorzufinden, da hier zumeist standardisierte Verfahren auch in der Instandhaltung vorliegen. Neben der Behandlung abrasiver, gusstechnisch bedingter, sich aus konstruktiven Zusammenhängen ergebenden Fehler und deren Bewertung für die Art und Weise der Instandhaltung bzw. Erneuerung zeigt sich für den Betreiber die Berücksichtigung des Wirkungsgradverhaltens eines Peltonlaufrades als weitere entscheidende Aufgabe.

Nicht jede Peltonanlage zeigt eine hohe Sensibilität den Wirkungsgrad betreffend, weshalb ein Maßstab zu bestimmen ist, der die wirtschaftliche Bedeutung des Wirkungsgradverhaltens - wie in Bild 7 - dargestellt wiedergibt.


Bild 7: Kosten eines Ersatzlaufrades / Wert von 1 % der Jahresarbeit

Das nachfolgende Problem besteht in der Feststellung des aktuellen Wirkungsgradverhaltens, um jene, beispielsweise gemäß Bild 7 dargestellten und als sensibel ausgewählten Peltonlaufräder nach einem den technischen Erfordernissen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten entsprechend optimierten Zeitpunkt einer Sanierung zuführen zu können.

Als Ergebnis langjähriger Untersuchungen und Wirkungsgradbestimmungen im Neuzustand bzw. im abgenutzten Zustand von Peltonlaufrädern wurde der in Bild 8 dargestellte Zusammenhang zwischen dem Abnutzungsgrad eines Peltonbechers und einem Wirkungsgradabfall erarbeitet. /1/ Dabei wurde der Abnutzungsgrad über die einfach zu messende Verbreiterung der Hauptschneide im Verhältnis zur Becherinnenbreite angesetzt.


Bild 8: Abnutzungserscheinungen am Peltonbecher / Wirkungsgradabnahme

Auffallend sind in diesem Zusammenhang die relativ kurzfristig feststellbaren Wirkungsradveränderungen um 1 % bis 2 % - unter Beobachtung von Abnutzungen an den Haupt- und Nebenschneiden. Darüber hinausgehende Verschlechterungen des Wirkungsgradverhaltens gehen zumeist mit stärkeren Wellenbildungen einher.
Sämtliche Betrachtungen dieser Art gehen von einem perfekten Zustand der Düsen und deren Einsatzringen aus, sodass sich die gemessenen Veränderungen jeweils tatsächlich ausschließlich auf das Peltonlaufrad zurückführen lassen. Neben den sehr unterschiedlichen Ergebnissen aus den zerstörungsfreien Prüfungen an Peltonlaufrädern und den - wie oben angeführt - bedeutenden Wirkungsgradveränderungen während des Betriebes gibt es - bedingt durch die technisch stark verbesserten Fertigungsmethoden und -anlagen - die Möglichkeit, Peltonlaufräder aus Schmiedestücken herzustellen, um die Schwächen aus der Gusstechnologie zu vermeiden.
Ziel derartiger Entwicklungen war bisher stets, die Vorteile der verbesserten Festigkeit im Wurzelbereich der Peltonbecher, dem höchstbeanspruchten Bereich, zu nutzen.
Im Hinblick auf die besonders hohen Aufwendungen für gusstechnisch bedingte Reparaturmaßnahmen sowie die Bedeutung des Wirkungsgradverhaltens ist in Zukunft der Schmiedetechnologieanwendung für das gesamte Peltonlaufrad der Vorzug zu geben.

Eingangsprüfungen, welche beim Laufradhersteller durchgeführt werden, setzen sich aus einer UT-Prüfung und Maßkontrolle zusammen. Es kann davon ausgegangen werden, dass ein Hersteller von Schmiedestücken bei zunehmender Auftragsmenge diese Schmiedestücke an Stelle einfacher, zylindrischer Stücke zu Schmiedestücken formt, die sich der Form des fertigen Peltonlaufrades immer mehr annähern, sodass die Arbeitsschritte "Drehen" und "Fräsen" reduziert werden können.
Ist bei Anwendung der bisherigen Gusstechnik das ca. 1,8- bis 2-fache des Fertiggewichtes eines Peltonlaufrades abzugießen, so muss man im Falle der Schmiedetechnik mit dem 2,5- bis 3-fachen Ausgangsgewicht rechnen.


Bild 9:
Schmiedeblock vorgedreht, als Ausgangsstück für ein Peltonlaufrad bei der Vermessung und UT-Prüfung

Bild 10:
Arbeitsschritte bei Herstellung eines Peltonlaufrades aus einem vollen Schmiedeblock (Drehen, Fräsen, Bohren)

Bild 11:
Peltonlaufrad "fully forged" fehlerfrei bei PT-Prüfung

Um wirtschaftlich gegenüber der alten Gusstechnik dennoch bestehen zu können, müssen die Dreh-, Bohr- und Fräsarbeiten - wie in Bild 10 dargestellt - durch leistungsstarke, NC-gesteuerte Fräsmaschinen erfolgen.
Die Zeitvorteile im Herstellungsablauf sind neben dem enormen Qualitätsvorsprung ein zusätzlicher Anreiz, sich für ein geschmiedetes Peltonlaufrad zu entscheiden.

Wie aus Bild 11 ersichtlich, ist das Ergebnis aus der PT-Prüfung ein nicht mehr zu übertreffendes und lässt auf ein entsprechend vorteilhaftes Betriebsverhalten schließen.
Neben diesen Qualitätsvorteilen des Grundwerkstoffes fallen weiters der durch die exakte Fertigung entstehende exzellente Wuchtzustand, die geometrische Übereinstimmung der einzelnen, empfindlichen Bereiche der Hauptschneide sowie des Strahlausschnittes besonders auf.
Mit der üblich gewordenen Lieferung eines Probebechers aus z.B. Aluminium liegt für immer die Urform des Peltonbechers vor, womit die Nachbeschaffung von Ersatzlaufrädern begünstigt wird.
Dennoch bleibt auch beim geschmiedeten Peltonlaufrad eine Hauptforderung des Betreibers noch unbeantwortet, nämlich die bessere Standfestigkeit gegen Abrasion für die Bereiche der Hauptschneide und des Strahlausschnittes, obwohl eine exakte, NC-gefertigte, hydraulische Kontur jedwede Beschichtung oder Verschleißmaterialaufträge durch Schweißungen wesentlich erleichtern dürfte, da automatisierte Techniken zur Anwendung gelangen können.

LITERATUR

  1. Brekke, Hermod: " Experiences from lasrge Pelton turbines in operation" Proceedings of the IAHR Symposium, Amsterdam 1982, Volume 2, Article 45.
  2. Grein, H.; Angehrn, R.; Lorenz, M.; Bezinge,A.: "Inspection periods for pelton runenrs", Waster Power & Dam Construction, Volume 37, Nr.7, February 1985, p.49 - 57
  3. Bärenthaler, G.:" Modellversuche für die hydraulischen Maschinen der Kraftwerksgruppe Malta"; ÖZE Heft 1/2, Springer Verlag, Wien 1979, S.115 - 123

AUTOREN

Ing. Harald Bozic
VERBUND-Austrian Hydro Power AG
Fachgruppe Erzeugung/Maschinenbau
Instandhaltungskoordination

Dipl.-Ing. Dr. Peter Hassler
VERBUND-Austrian Hydro Power AG
Fachgruppe Erzeugung/Maschinenbau
Instandhaltungskoordination

Ing. Wolfgang Schnablegger
VERBUND-Austrian Hydro Power AG
Fachgruppe Erzeugung/Maschinenbau
Instandhaltungskoordination

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net