Entwicklung und Optimierung einer Durchströmturbine mittels numerischer zweiphasiger Simulation

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1 Entwicklung und Optimierung einer Durchströmturbine mittels numerischer zweiphasiger Simulation Dipl.-Ing. Christian Bodner Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen Technische Universität Graz Nürnberg, u hfm.tugraz.at

2 Übersicht 2 Ziele und Motivation Einteilung und Varianten von Durchströmturbinen Vorauslegung der Turbine Einphasige Strömungssimulationen einzelner Komponenten Zweiphasiges Berechnungsmodell für Optimierungen mit und ohne Saugrohr Ergebnisse der zweiphasigen numerischen Optimierung ohne Saugrohr Messung der Modellturbine und der Prototypenturbine Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

3 Ziele und Motivation 3 Entwicklung und Verbesserung einer Durchströmturbine mittels numerischer Strömungssimulation Herkömmliche Entwicklung und Verbesserung mittels experimenteller Untersuchungen Zweiphasige und transiente Berechnungen bisher wenig/kaum durchgeführt Bestimmung und Untersuchung der Haupt-Einflussparameter auf die Turbinenperformance Schrittweis Optimierung der Turbinenperformance des Erstentwurfes (1D- Auslegung) Experimentelle Messungen der Modellmaschine am Labor-Prüfstand Prototypenturbine im Kraftwerk

4 Ziele CFD-Untersuchung Detail 4 Hauptziel der CFD-Untersuchungen: Festlegung der idealen Strömungskonturen und Geometrien, dadurch Verbesserung der Turbinenperformance Die Hauptschwerpunkte der CFD-Untersuchung und Optimierung sind: Düsenaustrittswinkel und Schaufeleintrittswinkel Unterschiedliche Schaufelprofile Variation der Düsenformen (Gesamtform, Düsenumschlingung) Unterschiedlichen Regulierklappen / alternative Regelung der Turbine Diverse konstruktive Veränderungen zur Verbesserung der Strömung im Laufrad Strömungsbilder, Strömungsanalysen Kräfte- und Momenten-Auswertung Detaillierte Auswertung der Strömungen in den Laufradstufen Untersuchung und Optimierung Analyse

5 Durchströmturbine Einteilung/Einsatzbereich 5 Teil-beaufschlagte Freistrahlturbine mit Trommelläufer Vorteil Durchströmturbinen: Flacher Wirkungsgradverlauf über großem Bereich des Durchflusses (20-100% Qmax) und sehr gute Regelbarkeit speziell bei 2-Kammer-Ausführung Sehr einfacher und robuster Aufbau Quelle: Giesecke Quelle: Giesecke

6 Durchströmturbine Varianten 6 Mit Regelorgan (Leitapparates, Drehschieber) Ohne Regenorgan (z.b. Restwasserturbine) Varianten mit und ohne Saugrohr Vorteil mit Saugrohr: Ausnützen der Restfallhöhe (Verringerung des Freihanges) Auslegung einer 2-Kammern-Durchströmturbine mit Regelorgan und Saugrohr Quelle: Sammartano Quelle: PACER

7 Vorauslegung der Turbine 7 Auslegung der Turbine mittels 1D-Auslegung Turbinenhauptgleichung nach Euler für DST H t = 1 g u 1 c u1 u 2 c u2 + u 3 c u3 u 4 c u4 α 2 = α 3 β 2 = β 3 β 1 = β 4 Auslegung der Turbine mittels Literaturquellen Richtwerte für diverse Parameter (Drehzahl, Laufraddurchmesser, Schaufelwinkel,...) Berechnung der Düsenkontur für Turbinen ohne Leitapparat Geometrische Zusammenhänge (Verhältnisse: Di / Da,.) Nur für Turbinen ohne Leitapparat vorhanden

8 Einphasige Berechnung einzelner Komponenten 8 Voruntersuchungen von Konturen mittels einphasiger Berechnungen wie z.b. Saugrohrgeometrie Düsengeometrie Erfassung der Turbinenperformance Aufgrund von Strömungsrückwirkungen und speziell des Laufrades auf die Düsenströmung nur im Gesamtmodell möglich. eckig rund eckig einseitig eckig abgerundet Ebene 1 Ebene 2

9 Erzeugung der Rechengitter 9 Aufbau der Rechengitter für Düse Rechengitter Laufrad Verbindungsring Laufrad, Laufradinnenraum Gehäuse mit Saugrohr Verwendung unterschiedlicher Rechengitter / Modelle quasi 1D (eine Gitterzelle in der Tiefe) Reduziertes Modell in der Breite mit 8 Zellen in der Tiefe (Hauptmodell) Volles Modell der gesamten Turbine Rechengitter Düse Rechengitter des Hauptmodells: R egion K not en Element e T yp Düsen Hexaeder Zwischenring Hexaeder Laufrad Hexaeder Laufradinnenraum Hexaeder Gehäuse Hexaeder Gesamt

10 Wirkungsgradauswertung nach IEC Gesamtwirkungsgrad der Turbine η ges = M Laufrad ω ρ g Q H def H def = p ein p aus ρ g v 2 ein 2 v aus 2 g + z ein z aus Wirkungsgrad mit Verlusthöhen Auswertung ohne Saugrohr H V p η ges = 1 = 1 H aus = p atm, v aus = 0, z aus V,Düse = 0 H V,Laufrad H V,Gehäuse H net H net Auswertung mit Saugrohr Düse H V,Düse = p tot,ein,düse p tot,aus,düse ρ g Laufrad H V,La = p tot,ein,la p tot,aus,la ρ g M La ω ρ g Q Gehäuse H V,Gehäuse = p tot,ein,gehäuse p tot,aus,gehäuse ρ g IEC unterscheidet zwischen Turbine mit und ohne Saugrohr! Bezugsebene des Turbinenaustrittes unterschiedlich (Maschinenachse bzw. SR-Austritt)

11 Aufbau des zweiphasen-berechnungsmodells 11 Berechnungsmodell mit und ohne Saugrohr Initialisierung ebenfalls mit transienten Berechnungen (30 Umdrehungen des Laufrades) Eckdaten transiente 2-phasige Berechnungen: Eintritt: Totaldruck Austritt: Opening 100% Wasser Eintritt Gehäuse: konst. Massenstrom Luft Rechenmodell mit Saugrohr Homogeneous Model (Standard Free Surface Model) SAS SST Turbulenzmodell Startfiles: Rechnungen 30 Umdrehungen (Winkelauflösung 3 Schritte) Berechnung Betriebspunkte: Winkelauflösung (0,2 1 Schritte) Auswertung: Mittelung der Kenngrößen der letzten Umdrehung

12 Problem Auswertung am Saugrohraustritt 12 Keine quasi stationär Zustand bei Berechnungen mit Saugrohr Auswertung nahezu unmöglich (keine zufriedenstellende Ergebnisse) Berechnung der Turbine mit Modell ohne Saugrohr H def = IEC Auswertung auf Maschinenachse p ein p aus ρ g v 2 ein 2 v aus 2 g + z ein z aus p aus = p atm, v aus = 0, z aus = 0 Volume Fraction nach 8,3s Berechnungszeit Nachfolgende Ergebnisse mit Berechnungsmodell ohne Saugrohr Berechnungsmodell ohne Saugrohr Anstieg Wasserpegel Ziehen von Luftblasen

13 Untersuchungen Leitapparat 13 Untersuchung verschiedener Leitapparat Konturen Hauptkriterium: maximaler Wirkungsgrad Nebenkriterien: Kräftesituation, Schließ- / Öffnungstendenz, Strömungsbild, Geschwindigkeitsverteilung am Düsenaustritt

14 Diverse Schaufelprofile 14 Untersuchung von über 15 unterschiedlichen Schaufelvarianten Beurteilung mittels Wirkungsgrad und detaillierter Strömungsanalyse

15 Detaillierte Strömungsanalyse der Laufschaufeln 15 Detaillierte Strömungsanalyse der Schaufelkanäle der beiden Turbinenstufen sowohl an Auswerteebenen (Mittelschnitt) Entlang Stromlinien vom Ein- bis Austritt aus der jeweiligen Turbinenstufe Auswerteebene Da Dm Di Totaldruck Da Dm Di

16 Detaillierte Strömungsanalyse der Laufschaufeln 16 Detaillierte Strömungsanalyse der Schaufelkanäle der beiden Turbinenstufen sowohl an Auswerteebenen (Mittelschnitt) Entlang Stromlinien vom Ein- bis Austritt aus der jeweiligen Turbinenstufe Totaldruck Sl1 Sl2 Sl3 Sl4

17 Verbesserung der Anströmung der 2. Stufe 17 Untersuchung diverser Maßnahmen zur Verbesserungen der Strömungsführung im Inneren des Laufrades bzw. Anströmung der 2. Turbinenstufe Bsp. Vorschlag Leitbleche nach K. Kokubu 2012 Drehmomentverlauf einer Laufschaufel über einer Umdrehung Geringere Leistungsabgabe und schlechterer Wirkungsgrad Geringere Leistungsabgabe der Turbine VIDEO Laufrad

18 Alternative Reguliereinrichtung 18 Vergleich der Reguliereinrichtung Regulierklappe Version 2 (16 Düsenwinkel) Drehschieber Düsenwinkel 16 Drehschieber Düsenwinkel 16 Weniger Verluste der Düse, besserer Wirkungsgrad bei gleichem Düsenwinkel

19 Messung der Modell-Turbine am Prüfstand 19 Konstruktion einer Modellturbine (M 1:2) gemäß den Erkenntnissen aus CFD- Berechnungen Messung nach IEC der Modell- Turbine Durchgeführte Messreihen: Messung mit und ohne Saugrohr Messung mit und ohne Beschichtung der Turbine Messung aller Kammern (3/3, 2/3 und 1/3) Messung mit Saugrohr und unterschiedlichen Saugventileinstellungen Messung der Turbine bei unterschiedlichen Drehzahlen Messergebnisse: Vollständige Turbinenkennfelder für die durchgeführten Messreihen Verhalten der Turbine mit Saugrohr

20 Feldmessung der Prototypenturbine 20 Messung nach IEC Durchgeführte Messreihen: Messung mit und ohne Saugrohr Messung Saugrohrverhalten Messung Anlagenkenngrößen Messergebnisse: Wirkungsgrade der Turbine Verhalten der Turbine mit Saugrohr im Feld

21 Zusammenfassung und Ausblick 21 Zusammenfassung: CFD-Berechnungen gut geeignet für Optimierung von Durchströmturbinen Zeit- und Kostensparender als Optimierung mittels Prüfstands-Untersuchungen Zeitaufwand für Erstellung eines stabilen Rechenmodells Sehr rechenintensiv aufgrund 2-phasiger transienter Berechnungen Absolute Wirkungsgradvorhersagen mit einfachem Modell schwer Ausblick: Berechnungen der Durchströmturbine im vollen Setup Verbesserungen des CFD-Rechenmodells