Geometrische Optimierung einer Peltonschaufel mit parametrischen Freiformflächen

Abstract

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird die parametrische Konstruktion und Validierung einer Pelton-Schaufelgeometrie behandelt. Die experimentelle Charakterisierung der Geometrie wird mithilfe eines Versuchsaufbaus im Labor des Instituts für Energietechnik und Thermodynamik an der Technischen Universität Wien ermittelt. Die Arbeit fasst in ihrem einführenden Teil auch die Geschichte und Entwicklung der Peltonturbine und die Grundlagen der Freiformflächenmodellierung zusammen. Aufbauend auf Vorgängermodellen und einem vorhanden Turbinen-Laufrad wird die gesamte Schaufelgeometrie mit insgesamt 15 veränderlichen Parametern im 3D Modellierprogramm „Siemens NX12“ erstellt. In der Parameterstudie werden die genauen Auswirkungen und Parametergrenzen beschrieben, um auch nachträglich gezielte Änderungen vornehmen zu können. Um nachzuweisen, dass der konstruierte Peltonbecher für den Dauerbetrieb geeignet ist, werden die kritischen Belastungsfälle berechnet und in dem Finite Elemente Programm von Ansys Workbench simuliert. Eine Auswertung der Ergebnisse wird zeigen, dass der Peltonbecher ausreichend dimensioniert ist.

This diploma thesis deals with the parametric design and validation of a Pelton blade geometry. The experimental characterisation of the geometry is determined with the help of an experimental setup in the laboratory of the Institute of Energy Technology and Thermodynamics at the Vienna University of Technology. In its introductory part, the paper also summarises the history and development of the Pelton turbine and the basics of free-form surface modelling. Based on previous models and an existing turbine runner, the entire blade geometry is created with a total of 15 variable parameters in the 3D modelling programme Siemens NX 12. In the parameter study, the exact effects and parameter limits are described in order to be able to make specific changes at a later date. In order to prove that the designed Pelton bucket is suitable for operation, the stresses of the critical load cases are calculated and simulated in the finite element programme of Ansys Workbench. An evaluation of the results shows that the Pelton bucket is sufficiently scaled for its purpose.