CFD-analyse av en høytrykks Francis turbin

Abstract

I denne masteroppgaven har det blitt gjennomført «fluid structure interaction» (FSI) simuleringer av modellturbinen fra Tokke, ved innløpsbetingelser som var rapportert å gjelde ved best driftspunkt. Simuleringsresultatene ble sammenlignet med laboratoriemålinger. Simuleringsresultatene viser at turbinene opererte nære, men ikke helt på beste driftspunkt, og at simuleringsresultatene er nesten like laboratoriemålingene. Virkningsgradsavviket mellom simuleringsresultatene og laboratoriemålingene 5.2%. Avviket i trykkhøyde mellom simuleringsresultatene og laboratoriemålingene er 0.2m. Dette tilsvarer et avvik på mindre enn én prosent. Avviket i trykkhøyde og virkningsgrad mellom simuleringsresultatene og laboratoriemålingene er små og simuleringsresultatene er derfor vurdert til å være tilfredsstillende.For å studere trykkpulsasjonene fra ledeskovlene, ble fire «steady state» FSI simuleringer gjennomført. For hver av simuleringene ble løpehjulet litt rotert i forhold til ledeapparatet. Dette ble gjort for å dekke en hel lastsyklus for løpehjulet. Deretter ble spenningen i to punkter i turbinbladet, som ble plassert i områder med stor spenning, studert for alle fire simuleringene. Den største dynamiske spenningen er 5.86Mpa, hvor den gjennomsnittlige spenningen er 18.42Mpa. Følgelig utgjør den dynamiske spenningen 31.8% av den totale spenningen. Det er liten forskjell i spenningsverdier mellom laboratoriemålingene og simuleringene. Forskjellene i maksimumsspenningene mellom simuleringsresultatene og lab- resultatene kan være på grunn av den lille forskjellen i målepunktlokasjonene, men også på grunnen av usikkerhet i «computational fluid dynamics» (CFD) og «finite element method» (FEM) simuleringene, men også måleusikkerhet. Likevel er det en sterk korrelasjon mellom simuleringer og laboratoriemålinger, og den ville blitt enda sterkere hvis finere mesh kunne blitt brukt, og et større lastområde ville blitt undersøkt. Mangel på datakraft var en begrensing for simuleringene. Både FSI simuleringsresultatene og laboratoriemålingene viser at dynamiske spenninger utgjør en stor prosentandel av de totale spenningene. Derfor, i tillegg til foreliggende parametere, burde energiselskapene vise kjøreplanen i spesifikasjonene til turbinprodusentene. Kjøreplanen ville gitt turbinprodusentene den nødvendige informasjonen slik at det kunne bli tatt høyde for dynamiske laster i turbindesign.