Entwicklung eines effizienten Systems für den Entwurf und die Optimierung von Francis-Turbinen

In der vorliegenden Arbeit wird ein Programmsystem vorgestellt, mit dem die Entwicklung einer Francis-Turbine mit effizienter Weise ermöglicht wird. Dieser Prozess umfasst dabei den initialen Entwurf sowie die numerische Nachrechnung und Optimierung aller strömungsführenden Komponenten. Mit Hilfe des entwickelten Entwurfsprogramms können alle Komponenten einer Francis-Turbine generiert werden. Das System greift hierbei zum einen auf einen statistischen Datensatz zu, dem Erfahrungswerte und eine optimale Turbinenbaureihe hinterlegt sind. Andererseits finden kinematische Beziehungen und entwickelte analytische Modelle Anwendung, die detailliert beschrieben werden. Das Programm weist dabei geeignete Schnittstellen auf, um die generierten Daten in das Nachrechnungs- und Optimierungssystem exportieren zu können. Neue Erkenntnisse und Erfahrungen können dabei jederzeit in die hinterlegten Statistiken eingepflegt werden. Die einzelnen Systemkomponenten des verwendeten numerischen Nachrechnungs- und Optimierungssystems IDS sowie die grundlegende Vorgehensweise bei der numerischen Analyse einer Francis-Turbine werden erläutert. Hierzu werden auch die betrachteten Gütekriterien bei der Beurteilung der Qualität einer Francis-Turbine aufgeführt. Das entwickelte Gesamtsystem wird anschließend validiert und an konkreten Beispielen erprobt. Dazu vergleicht man zunächst die Ergebnisse des analytischen Verlustmodelles mit einer Simulationsreihe. Auch das für die automatisierte Optimierung verwendete QE-Verfahren wird bei Francis-Turbinen angewendet und überprüft. Die konkrete Anwendung des Gesamtsystems erfolgt am Beispiel dreier Francis-Turbinen unterschiedlicher spezifischer Drehzahlen. Diese werden mit Hilfe des entwickelten Entwurfssystems generiert und anschließend optimiert. Zudem erfolgt die Anwendung und Überprüfung des entwickelten automatisierten Optimierungsprozesses am Beispiel der Francis-Turbine FT60. Auf diese Weise kann die Effizienz der entwickelten Systeme nachgewiesen werden. Abschließend wird speziell die numerische Simulation der Saugrohrströmung untersucht. Dabei beschäftigt sich die Arbeit vor allem mit verschiedenen numerischen Modellierungsansätzen. Mit Hilfe einer Variation des Drallniveaus der Laufradabströmung lassen sich wichtige Ansätze für eine optimale Saugrohrströmung aufzeigen.