Vesiturbiinien tekniset ominaisuudet ja CFD-mallinnukseen perustuva lapageometrian optimointi

Abstract

Tämän kandidaatintyön tavoitteina oli perehtyä yleisimpien vesiturbiinityyppien teknisiin ominaisuuksiin sekä laskennalliseen virtausdynamiikkaan eli CFD:hen perustuvan mallinnuksen rooliin vesiturbiinien lapageometrian optimoinnissa. CFD:n näkökulmasta tavoitteena oli selvittää, miten CFD-mallinnus tukee vesiturbiinien teoreettisten juoksupyörien optimointia. Vesiturbiinien tekniikkaa käsittelevä osuus suoritettiin kirjallisuuskatsauksena ja CFD-mallinnusta käsittelevässä osuudessa kutakin turbiinityyppiä tarkasteltiin yhden tapaustutkimuksen pohjalta. Vesiturbiinit jaetaan fysikaalisen toimintaperiaatteen perusteella reaktio- ja impulssiturbiineihin. Reaktioturbiineissa juoksupyörän lavan yli vaikuttaa paine-ero, joka synnyttää reaktiovoiman. Reaktiovoima saa aikaan tehon syntymisen juoksupyörässä. Yleisimmistä vesiturbiinityypeistä Francis- ja Kaplan-turbiinit kuuluvat reaktioturbiineihin. Francis-turbiini on käytetyin vesiturbiinityyppi, joka soveltuu parhaiten putouskorkeuksille 100–300 m. Francis-turbiinin virtaamaa säädellään ennen juoksupyörää sijaitsevilla johtosiivillä. Kaplan-turbiini on Francis-turbiinin pohjalta kehitetty turbiinityyppi putouskorkeuksille 10–70 m. Virtaaman säätö toteutetaan Kaplan-turbiinissa johtosiipien ja juoksupyörän lapojen yhteissäädöllä. Yhteissäätö mahdollistaa pienemmät paine- ja kitkahäviöt osakuormilla, minkä seurauksena Kaplan-turbiinin hyötysuhde laskee osakuormilla vähemmän kuin Francis-turbiinilla. Impulssiturbiineissa virtaus saapuu juoksupyörälle korkeanopeuksisina vesisuihkuina, jotka kohdistavat impulssin juoksupyörän siipiin. Tehon syntyminen perustuu siis vesisuihkujen liike-energian hyödyntämiseen. Ainut yleisesti käytetty impulssityyppinen vesiturbiini on Pelton-turbiini, joka soveltuu putouskorkeuksille 300–2000 m. Pelton-turbiinin virtaaman säätö perustuu vesisuihkujen halkaisijan säätöön tai suihkujen osittaiseen taittamiseen. Hydrauliset häviöt pienenevät samassa suhteessa kuin turbiinin teho, minkä vuoksi osakuormilla hyötysuhde laskee vähemmän kuin reaktioturbiineilla. Kaikkien turbiinityyppien teoreettisten juoksupyörien CFD-mallinnuksen havaittiin paljastavan useita virtausteknisiä heikkouksia verrattuna optimoituun suunnitteluun. Francis-turbiinien tapaustutkimuksessa teoreettisessa juoksupyörässä ilmeni viitteitä virtauksen irtoamisesta, kavitaatiosta sekä lavan epätasaisesta mekaanisesta kuormituksesta. Kaplan-turbiinien tutkimuksessa teoreettisessa juoksupyörässä havaittiin kavitaation lisäksi merkkejä epätasaisesta reaktiovoimasta. Pelton-turbiinien tutkimuksessa lapaprofiilin epäoptimaalisen muodon ja syvyyden havaittiin heikentävän impulssivoimaa. CFD-tapaustutkimusten havainnosta parhaimmin yleistettäviä ovat todennäköisesti Francis- ja Pelton-turbiinien havainnot. Näiden turbiinityyppien teoreettiset suunnittelumenetelmät ovat melko vakiintuneita ja laajasti tutkittuja. Kaplan-turbiinien tutkimuksessa teoreettisen lapaprofiilin määritystarkkuus saattaa aiheuttaa epätarkkuutta tuloksiin. Kaikkien turbiinityyppien kohdalla CFD-mallinnus kuitenkin paljasti lapaprofiilien optimointikohteet.