Variable speed operations of Francis turbines

Den økende andelen av uregulerbar kraftproduksjon, som vind og sol, blir det stadig viktigere å ha mer pålitelige energikilder for å tilfredsstille etterspørselen av et varierende strømforbruk.Vannkraft kan brukes til dette formålet, selv om dette ofte medfører å drive turbinen under forhold som den ikke var konstruert for. Turbindrift utenfor design punkt vil føre til dynamiske belastninger, som trykkpulseringer i løpehjulet, noe som vil redusere levetiden betydelig. Francis turbiner, spesielt designet for å operere under variable hastighetsforhold, kan være et svar på denne utfordringen og kunne bidra til å sikre turbinen mot slik slitasje. Ettersom synkront turtall Francis turbiner er konstruert for å kjøre i henhold til frekvensen av strømnettet, mangler vi en standardisert prosedyre for å designe en turbin med variabel hastighet. Ved å bruke numerisk fluiddynamikk (CFD) kan man simulere strømmen gjennom en turbin og se på dens egenskaper under forskjellige belastninger i designprosessen. Denne masteroppgaven sammenligner numerisk forutsatt virkningsgraddiagramm med eksperimentelle målinger av en Francisturbin. Hovedmålet er å skape en modell for gjenskaping av virkningsgradsdiagrammer ved bruk av CFD. Å kunne forutsi virkningsgradsdiagrammer er nyttig i produksjonsstadiet og kan resultere i en mer effektiv turbin. Undersøkelse av mulige forenklinger uten å tape nøyaktighet er også et av temaene i denne oppgaven. Forenklinger av geometri har blitt testet for å undersøkeom simuleringstiden kan reduseres uten å ofre nøyaktighet. Det viser seg at spiraltrommen kan utelates med lite tap i nøyaktighet. k−ε-modellen viste seg å være mer nøyaktig og raskere. Numeriske simuleringer av 132 operasjonspunkter, ved bruk av k−ε-turbulensmodell, ble utført og det numeriske virkningsgradsdiagrammet ble konstruert. Det observeres at de numeriske simuleringene overestimerer effektiviteten, men den generelle formen er forutsatt godt