Leistungsbewertung einer Durchströmturbine mittels numerischer Strömungssimulation

Abstract

Die Durchströmturbine ist eine radiale Gleichdruckturbine, welche zweimal beaufschlagt wird. Das einströmende Wasser wird stoßfrei und mit hoher Geschwindigkeit dem walzenförmigen Trommelrad zugeführt. Dabei tritt der Freistrahl auf den Laufradschaufeln auf, durchquert das Laufrad und tritt auf den gegenüberliegenden Laufradschaufeln erneut auf. Aufgrund der einfachen und gleichzeitig robusten Bauweise wird die Durchströmturbine häufig bei Kleinwasserkraftwerken verwendet. Kleinwasserkraftwerke gewinnen mit dem Ziel der emissionsfreien Energiegewinnung immer mehr an Bedeutung - vor allem zur Deckung des Energiebedarfs bei Industrieunternehmen oder im Interesse des Umweltschutzes in Entwicklungsländern.Zur Leistungsbewertung der Durchströmturbine wird in dieser Arbeit eine numerische Strömungssimulation durchgeführt. Ausganglage dafür sind zur Verfügung gestellte Geometriedaten einer Versuchs-Durchströmturbine. Mit ANSYS ICEMCFD werden die Bereiche definiert sowie ein strukturiertes Netz generiert. Das vernetzte Modell wird in ANSYS FLUENT importiert und die numerische Strömungssimulation gestartet. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten wird die Simulation für drei unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten durchgeführt: 20 rad/s, 25 rad/s und 35 rad/s. Zur Durchführung einer realitätsnahen Simulation ist die Auswahl der Randbedingungen von großer Wichtigkeit.Anhand der Simulationsergebnisse wird der Wasserlauf durch die Turbine visualisiert, der Wirkungsgrad bestimmt sowie die auf die Welle wirkenden Kräfte ermittelt. Die aus der Strömunssimulation erhaltenen Werte werden abschließend noch in das Muscheldiagramm der Versuchsturbine eingetragen und die Ergebnisse verglichen.

The cross flow turbine is a radial impuls turbine, which is pressurized twice. The incoming water is fed shock-free and at high velocity to the drum-shaped impeller. The free jet hits the impeller blades, passes through the impeller and hits the opposite impeller blades again. Due to its simple yet robust design, the cross flow turbine is often used in small hydropower plants. Small hydropower plants are becoming increasingly important with the aim of emission-free energy generation - especially to meet the energy requirements of industrial companies or in the interests of environmental protection in developing countries.In order to evaluate the performance of the cross flow turbine, a numerical flow simulation is carried out in this work. The starting point for this is the geometry data provided for a test flow turbine. Using ANSYS ICEM CFD, the regions are defined and a structured mesh is generated. The meshed model is imported into ANSYS FLUENT and the numerical flow simulation is started. To obtain comparable results, the simulation is performed for three different angular velocities: 20 rad/s, 25 rad/s und 35 rad/s. To perform a realistic simulation, the selection of boundary conditions is of great importance.Based on the simulation results, the water flow through the runner is visualized, the efficiency is determined and the forces acting on the shaft are determined. Finally, the values obtained from the flow simulation are plotted on the turbine's Hill Chart and the results are compared.