Entwurf eines Laufrades für den Peltonturbinenversuchsstand am IET

Abstract

Gegenstand der hier vorgestellten Diplomarbeit ist die Berechnung, Konstruktion und Realisierung eines Pelton-Turbinenrades sowie die experimentelle Charakterisierung auf dem bestehenden Versuchsstand im Laboratorium des Instituts für Energietechnik und Thermodynamik an der Technischen Universität Wien. Die Turbinenbecher wurden aus Kunststoff im 3D-Druckverfahren hergestellt.<br />Ausgehend von einer bereits modellierten Pelton-Becherinnenkontur ist die gesamte Becherschaufel unter Berücksichtigung der Versuchsstandparameter in Bezug auf die maximale Baugröße und der mechanischen Belastungen im 3D-Konstruktionsprogramm SolidWorks© erstellt. Im Speziellen wird aus einem Oberflächenmodell ein Volumenmodell des einzelnen Bechers erzeugt und die Gesamtkonstruktion des Pelton-Turbinenrades mit den ermittelten Laufradparametern beschrieben. Anschließend werden die mechanischen Spannungen mit dem Finiten Elemente Berechnungspaket ANSYS Workbench©, für die entsprechenden kritischen Belastungsfälle simuliert. Zur experimentellen Überprüfung der An- sowie Abströmungsverhältnisse ist das Pelton-Turbinenrad im Maßstab 1:2 realisiert. Dafür sind die einzelnen Pelton-Becher im 3D-Druckverfahren aus Acrylnitril-Butadien-Styrol gefertigt und weiter experimentell auf ausreichende mechanische Belastbarkeit geprüft. Den Abschluss dieser Arbeit bildet eine Abschätzung des hydraulischen Wirkungsgrades des 1:2 Pelton-Laufrades mit Kunststoffbechern durch Aufnahme eines Muscheldiagramms am Versuchsstand.<br />

The present thesis deals with the calculation, construction and realization of a Pelton-wheel. The turbine paddles were fabricated in 3D polymer plot technique and characterized on the existing test rig at the Institute for Energy Systems and Thermodynamics of the Vienna University of Technology. Based on the inner contour that had already been modeled, the entire paddle was designed by using the 3D construction software SolidWorks© and considering the maximum dimensions and stress parameters of the test rig. In detail, a volume model of a single paddle is generated from a surface model and the final assembly is described including operation parameters. Subsequently, the finite element simulation (ANSYS Workbench©) for critical load scenarios is presented. For the experimental evaluation of in- and outflow regimes, the Pelton-wheel was realized in 1:2 scale. The Pelton-paddles were fabricated in acrylnitril-butadien-styrol and tested for sufficient robustness.<br />Finally, the hydraulic efficiency of the constructed Pelton-turbine is estimated by acquiring an efficiency chart on the test rig.<br />