Hydraulic design of a turbine for energy recovery purposes

Abstract

Denne masteroppgaven fokuserer på design og analyse av en komplett Francisturbin for Framo AS med formål om energiutvinning i offshore-applikasjoner. Turbindesignet skiller seg fra konvensjonelt design ved at den ikke har spiraltromme, samt at stagskovlene leder vannet fra gravitasjonsretningen og radielt inn i ledeskovlene. Justerbare ledeskovler er inkludert for å tilpasse seg et kjølebehov med minkende vannstrøm. En numerisk modell er utviklet, basert på høytrykks Francis-teori og begrensninger fra Framo. Virkningsgraden til turbinen er evaluert ved ulike strømningshastigheter, og er nærliggende virkningsgraden til Framos eksisterende Sea Water Lift-pumpeturbin. Det er anbefalt å forbedre stagskovlenes ytelse ved å forlenge bladene og kurve dem lenger oppstrøms, optimalisere designet av ledeskovlene for å minimere strømningsseparasjon, og undersøke trykkfordelingen på løpehjulet for å begrense potensielle problemer som vibrasjoner og resonans. Funnene bidrar til forståelse av turbinens ytelse og gir verdifull innsikt for fremtidig optimalisering og designforbedringer.

This master’s will in collaboration with Framo AS focus on the hydraulic design of a complete Francis turbine for energy recovery purposes in offshore applications. The turbine design deviates from conventional models by its absence of a spiral casing and the fact that the stay vanes direct the flow from the gravitational direction and radially into the guide vanes. Adjustable guide vanes are implemented to accommodate a decline in flow rate. A numerical model is developed, considering high head Francis theory, constraints from Framo, and using computational fluid dynamics (CFD) analysis. The efficiency of the turbine is evaluated at different flow rates, demonstrating a close match to Framo’s existing Sea Water Lift pump-turbine. Recommendations for improvement include enhancing the stay vanes’ performance by making longer vanes and curving them further upstream, optimizing the design of guide vanes to minimize separation of flow, and investigating the runner’s pressure distribution to mitigate potential issues like vibrations and resonance. The findings contribute to understanding turbine performance and provide valuable insights for future optimization and design refinements.