Numerische Strömungssimulation einer Pumpturbinenspirale

Abstract

Diese Diplomarbeit behandelt die numerische Strömungsberechnung der Spirale einer mehrstufigen Pumpturbine. Zur Reduktion der Material- und Herstellungskosten wurde eine bereits vorhandene Spiralengeometrie durch Entfernung der Leitvorrichtung verkleinert. Die Einhaltung der Geschwindigkeitsdreiecke im Teillastbetrieb soll dann durch Drehzahlvariabilität erreicht werden. Im ersten Abschnitt wird die Konstruktion erklärt. Dabei werden zwei Varianten mit gleicher Anzahl, aber verschieden ausgeführten Stützschaufeln betrachtet. Die Schaufeln der ersten Variante sind unprofiliert und wurden aus einer am Institut entstandenen Vorgängerarbeit übernommen. Bei der zweiten Variante sind sie nach Sigloch mit Schräganschnitt und geradlinigem Diffusor konstruiert. Der zweite Abschnitt umfasst die Vernetzung. Dabei wird auf die Erstellung der hauptsächlich verwendeten Hexaedernetze sowie des für den Spornbereich notwendigen Tetraedernetzes eingegangen. Um die Unabhängigkeit der Ergebnisse vom Netz sicherzustellen, wird außerdem eine Netzstudie für Variante 2 im kritischeren Pumpbetrieb gezeigt. Dafür wurden drei Netze mit verschiedener Elementzahl erstellt, um damit stationäre Simulationen durchzuführen. Als integrale Kontrollgröße wurde der cp-Wert der gesamten Spirale herangezogen und der Diskretisierungsfehler mit der auf der Richardsonextrapolation basierenden Methode von Celik ermittelt. In Abschnitt drei werden die mit dem Laufrad gekoppelten, transienten Simulationen dargestellt. Die Rechnungen selbst wurden dabei in CFX mit dem gewählten Netz der Netzstudie für beide Varianten sowohl im Pump-, als auch im Turbinenbetrieb durchgeführt und ausgewertet. Im vierten Abschnitt wird zuletzt noch die Festigkeit der Spirale betrachtet. Dazu wurde mit Structural Mechanics eine vereinfachte Finite Elemente Analyse durchgeführt. Die Ergebnisse werden mit der Vorgängerarbeit verglichen. In Anhang A sind abschließend noch die in Mathcad 15 durchgeführten analytischen Berechnungen angeführt.

This Master Thesis is about the numerical investigations of a multistage pump turbine. To lower the costs of production and material the size of an existing volute was reduced by removing the guide vanes. The pump turbine control will then be achieved by speed variability. The first section shows the construction. Two options with the same number but different design of stay vanes are considered. The non-profiled vanes of option one were taken from a former Thesis of the Institute. The vanes of the second option were adapted from Sigloch with a triangular section and the following straight diffuser. The second section contains the meshing. The creation of the mainly used hexahedral meshes and the tetrahedral mesh for the nose is declared. Thereafter the independency of the results and the mesh density is proven. For that three grids with different number of elements were created to run stationary simulations. With cp as controll variable the error was estimated by the method of Celik which is based on the Richardson extrapolation. In section three the transient, with the impeller coupled CFD simulations are shown. These simulations were carried out in CFX for pump and turbine mode. The results got analyzed and evaluated. In section four the mechanical strength of the volute is considered. Therefore a finite element analysis is done in Structural Mechanics. The results are compared with the preceding work Zochbauer. In attachment A the analytical calculations, done in Mathcad 15, are added.