CFD Berechnung der Muschelkurve einer Francis Turbine

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Strömungssimulation (CFD - Simulation) einer Francisturbinenanlage. Ziel dabei ist die Generierung des Muscheldiagramm selbiger Maschine aus den Simulationsergebnissen. Am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der Technischen Universität Wien ist, mit aktuelle Stand, eines der bestehenden Forschungsprojekte das Projekt "GreenStorageGrid (GSG). Innerhalb dessen ist das Teilprojekt" PSP-Lowload\, welches sich mit dem tiefen Teillastverhalten von Francisturbinen beschäftigt, etabliert. Im Rahmen dieser Dissertation wird dieses spezifische Betriebsverhalten auch mittels CFD-Simulationen analysiert. Die CFD-Simulationen in dieser Arbeit sollen dabei, neben der Erstellung des Muscheldiagramms, auch als Vergleich zu jenen Simulationen der Dissertation dienen. Konkrete Aufgabenstellungen sind dabei die Auf- und Vorbereitung des physischen Modells (in Form von 3D-CAD-Modellen) der Anlage für die CFD-Rechnungen, die Diskretisierung, Aufbereiten des Simulationssetups, Durchführung der Simulationen und Konstruktion des Muscheldiagramms. Weiters wird mit der Diskretisierung des Rechengebiets eine Netzunabhängigkeitsstudie durchgeführt, um auf den Diskretsierungsfehler schließen zu können und die Auswahl des passenden Rechennetzes bewerkstelligt werden kann. Zur Validierung der Simulationen werden Ergebnisse einer Wirkungsggradmessung herangezogen, welche vom Anlagenbetreiber zur Verfügung, gestellt wurden.. In der Auswertung werden neben dem generierten Muscheldiagramm ebenso Strömungsschaubilder spezifisch ausgewählter Berechnungspunkte gezeigt und diskutiert.

This work deals with the numerical flow simulation (CFD) of a Francis turbine powerplant with the goal of developing the hill charts of the machine. On the Institute for Energy Systems and Thermodynamics of the Vienna University of Technology, one of the current resarch programms is the project "GreenStorageGrid" (GSG). Within this project there is a subproject which deals with the deep lowload behaviour of Francis turbines. This particular operation behaviour is also be analyzed by numerical analysis. Beside the request of generating the hill charts of the powerplant, the results of the numerical anlysis shall provide a comparison for simulations peformed in the dissertation. The specific task description includes the prepartion of physical system parts (in form of 3D-CAD parts) for the CFD - Discretization, the discretization process itself, setup and execution of the simulations and finnally the generation of the hill charts. Within the discretization process, a grid convergence study is performed, to estimate the discretization error and further to determine which of the generated meshes is the best for the simulations. For the validation of the simulation results there are effciency messurements available, which were provided by the operating company of the powerplant. Beside the generated hill charts, a flow analysis is performed in selected operating points to discuss the obtained results.