Vývoj Francisovy turbíny pro nízkospádové vodní elektrárny

Development of high specific speed Francis turbine for low head HPP

journal article - other

en

Nowadays we can commonly encounter with revitalizations of an original HPPs which were earlier fitted with Francis turbines. They were often placed to the locations with low head and higher discharge which means high specific speed (ns > 400). Generally it is quite complex to design Francis turbines for such high specific speed. These very old turbines usually have lower efficiency due to the earlier limited possibilities of hydraulic design. An exchange of a water turbine with another type can be quite expensive and therefore it can be more suitable to change only an old runner for a new one. In this article the design process of high specific speed turbine ns = 430 is described. Optimization was done as the full-automatic cycle and was based on a simplex optimization method as well as on a genetic algorithm. For the parameterization of the runner blade, the BladeGen software was used and CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis was run in Ansys CFX v.14 software. The final shape of the runner blade was reached after computing about 1000 variants which lasted about 250 computational hours.

V dnešní době se často setkáváme s revitalizacemi původních vodních elektráren, které byly v dřívějších dobách hojně osazovány Francisovými turbínami. Tyto turbíny byly často umísťovány do lokalit s nízkým spádem a středním či vysokým průtokem znamenající vysoké specifické otáčky stroje (ns > 400). Obecně je hydraulický návrh Francisovy turbíny pro vysokou rychloběžnost značně složitý, což vzhledem k dřívějším omezeným možnostem tohoto návrhu, vedlo na nízké účinnosti původních turbín. Výměna stroje či soustrojí za jiný typ bývá mnohdy ekonomicky nákladná, a proto se může nabízet ekonomičtější varianta pouhé výměny původního oběžného kola za nové. V článku je popsán proces vývoje vysokospecifické Francisovy turbíny ns = 430 s využitím vlastního optimalizačního algoritmu. Zapojením moderních výpočtových CFD analýz společně s vhodně zvoleným optimalizačním algoritmem, se podařilo vyvinout vysoce rychloběžnou Francisovu turbínu s uspokojivými výpočetně predikovanými parametry. Potřeby optimalizace si vyžádaly tvorbu nového optimalizačního softwaru. Jeho výhodou je, že spojuje jak výhody osvědčených gradientních metod, tak výhody metod na bázi genetických algoritmů, což vede k nalezení globálního minima definované cílové funkce. Samotná parametrizace oběžné lopatky byla provedena v softwaru BladeGen 14 a CFD výpočty v softwaru ANSYS CFX 14. Výsledného hydraulického tvaru nové lopatky oběžného kola bylo dosaženo po výpočtu cca 1000 variant, což je asi 250 výpočtových hodin. Nový hydraulický tvar bude ověřen modelovým měřením v nové hydraulické laboratoři ČKD Blansko Engineering. Prezentovaný postup návrhu nového oběžného kola umožňuje v budoucnosti optimalizovat hydraulický tvar přímo pro konkrétní vodní dílo se zahrnutím vlivu původních průtočných částí turbíny.

Nowadays we can commonly encounter with revitalizations of an original HPPs which were earlier fitted with Francis turbines. They were often placed to the locations with low head and higher discharge which means high specific speed (ns > 400). Generally it is quite complex to design Francis turbines for such high specific speed. These very old turbines usually have lower efficiency due to the earlier limited possibilities of hydraulic design. An exchange of a water turbine with another type can be quite expensive and therefore it can be more suitable to change only an old runner for a new one. In this article the design process of high specific speed turbine ns = 430 is described. Optimization was done as the full-automatic cycle and was based on a simplex optimization method as well as on a genetic algorithm. For the parameterization of the runner blade, the BladeGen software was used and CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis was run in Ansys CFX v.14 software. The final shape of the runner blade was reached after computing about 1000 variants which lasted about 250 computational hours.

Francisova turbína, vysoké specifické otáčky, CFD, optimalizace, cílová funkce

Francis turbine, high specific speed, CFD, optimization method, objective function

2013

06.12.2013

Association for Engineering Mechanics

Praha

1802-1484

20

2

139–148

10