Variable speed operations of Francis turbines

Abstract

Den økende andelen av uregulerbar kraftproduksjon, som vind og sol, blir det stadig viktigere å ha mer pålitelige energikilder for å tilfredsstille etterspørselen av et varierende strømforbruk.Vannkraft kan brukes til dette formålet, selv om dette ofte medfører å drive turbinen under forhold som den ikke var konstruert for. Turbindrift utenfor design punkt vil føre til dynamiske belastninger, som trykkpulseringer i løpehjulet, noe som vil redusere levetiden betydelig. Francis turbiner, spesielt designet for å operere under variable hastighetsforhold, kan være et svar på denne utfordringen og kunne bidra til å sikre turbinen mot slik slitasje. Ettersom synkront turtall Francis turbiner er konstruert for å kjøre i henhold til frekvensen av strømnettet, mangler vi en standardisert prosedyre for å designe en turbin med variabel hastighet. Ved å bruke numerisk fluiddynamikk (CFD) kan man simulere strømmen gjennom en turbin og se på dens egenskaper under forskjellige belastninger i designprosessen. Denne masteroppgaven sammenligner numerisk forutsatt virkningsgraddiagramm med eksperimentelle målinger av en Francisturbin. Hovedmålet er å skape en modell for gjenskaping av virkningsgradsdiagrammer ved bruk av CFD. Å kunne forutsi virkningsgradsdiagrammer er nyttig i produksjonsstadiet og kan resultere i en mer effektiv turbin. Undersøkelse av mulige forenklinger uten å tape nøyaktighet er også et av temaene i denne oppgaven. Forenklinger av geometri har blitt testet for å undersøkeom simuleringstiden kan reduseres uten å ofre nøyaktighet. Det viser seg at spiraltrommen kan utelates med lite tap i nøyaktighet. k−ε-modellen viste seg å være mer nøyaktig og raskere. Numeriske simuleringer av 132 operasjonspunkter, ved bruk av k−ε-turbulensmodell, ble utført og det numeriske virkningsgradsdiagrammet ble konstruert. Det observeres at de numeriske simuleringene overestimerer effektiviteten, men den generelle formen er forutsatt godt.

The growing share of intermittent energy production, such as wind and solar, makes it increasingly important to have more reliable energy sources to meet the demand of varying power consumption. Hydropower can be used for this purpose, although this often leads to running the turbine under conditions for which it was not designed. Off-design operation will lead to dynamic loads, like pressure pulsations in the runner, which will significantly decrease its lifetime. Francis turbines, specifically designed to operate under variable speed conditions, maybe an answer to this challenge and could help levitate the turbine for such wear. As normal synchronous speed Francis turbines are designed to run according to the frequency of the electricity grid, a standardized procedure to design a variable speed turbine is missing. By using computational fluid dynamics (CFD), one can simulate the flow through a turbine and look at its characteristics under different loads in the design process. This master thesis compares the numerically predicted hill chart to experimental measurements of a Francis turbine. The main objective is to create a model for recreating hill charts utilizing CFD. Prediction of hill charts are useful in the design stage of production and may result in a more efficient runner. Investigation of possible simplifications without loss in accuracy is also a subject of study. Simplifications of geometry have been tested to investigate if the simulation time can be reduced without sacrificing accuracy. It turns out that spiral casing can be omitted with little loss in accuracy. Thek−εmodel showed more accurate and faster results. Numerical simulations of 132 operating points, using k−ε-turbulence model, were carried out and the numerical hill chart is predicted. It is observed that the numerical simulations overpredict the efficiency; however, the general shape is predicted well.