Design-Optimization of a Francis turbine draft tube

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler optimalisering av sugerøret til en Francisturbin som opererer på variabelt turtall. Forbedrede design er diskutert relativt et referansedesign, i form av økt trykkgjenvinning gjennom sugerøret og redusert volum. Analysen er begrenset til å optimere sugerøret for tre ulike driftspunkt, henholdsvis lav last, best punkt og høy last.

Sugerørsgeometrien er konstruert som en funksjon av 11 ulike variabler. Box-Behnken Design er benyttet til å gjøre et utvalg av design som videre er evaluert med CFD-simuleringer i ANSYS CFX. Simuleringene regner ut optimeringsobjektivene, som er trykkgjenvinningskoeffisienten ved de tre driftspunktene og volumet av sugerøret. Disse verdiene benyttes til å bygge respons overflater for hvert objektiv i MATLAB, som videre predikerer responsen av nye design.

100 millioner tilfeldige design er evaluert av respons overflatene, der 10.2 millioner design er predikert til å være like gode eller bedre enn referansedesignet for alle objektivene. Blant denne mengden er 5 optimaliserte design foreslått, hvorav 4 maksimerer hvert objektiv enkeltvis, mens det siste vekter en samlet forbedring av alle objektivene.

Den predikerte responsen av de foreslåtte designene er verifisert med CFD- simuleringer. Alle designene viser forbedringer i alle objektiver, med unntak av designet som vekter reduksjon av sugerørsvolumet. Trykkgjenvinningskoeffisientene er predikert til å være forbedret, men simuleringer på driftspunktene lav last og best punkt gir resultater like under referanseverdiene. Generelt viser lav last en gjennomgående høyere usikkerhet i analysen, sammenlignet med de andre driftspunktene. Til tross for potensielle usikkerhetsmomenter i simuleringer og predikasjoner, er forbedrede design blitt predikert og verifisert. Dette demonstrerer at optimeringsmetoden fungerer.

This thesis documents optimization of the draft tube designs to Francis turbine operating at variable speed. Optimal designs are discussed in terms of increased pressure recovery and decreased volume, relative to a reference design. Three operation points corresponding to part load, best efficiency point, and high load operating conditions are considered for the analysis.

The draft tube geometry is constructed as a function of 11 design variables. Box-Behnken design is used to provide design samples, which in turn are evaluated by computational fluid dynamics simulations. The simulations calculate the optimization objectives, which are the pressure recovery factor at different operation points and the draft tube volume. The simulated objective values are utilized for building response surfaces in MATLAB, which in turn, are used to predict responses for new designs.

100 million random designs were evaluated by the response surfaces, where 10.2 million designs were found to give equal or better performance across all four objectives. 5 optimized designs were suggested; the first 4 corresponding to designs with the highest given score for a single objective, while at the same time being at least as good as the reference across the remaining three. The last proposed design was selected by considering simultaneous improvement across all 4 objectives.

The predicted responses of the suggested designs were verified against simulations. The results showed substantial improvements for all designs, except the design favoring decreased draft tube volume. The pressure recovery of this design was predicted to be at least as good as the reference, but simulation results for part load and best efficiency point operating conditions showed small degradations. Part load results showed higher uncertainty than the other operating conditions. Despite potential errors in simulations and predictions, improved designs were found, demonstrating that the optimization method works.