Simulace proudění v oběžném kole Kaplanovy turbíny s modelováním reálných spár

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá problematikou modelování spár lopatek oběžného kola Kaplanovy turbíny, která je jednou z nejpoužívanějších vodních turbín na světě. Jako jediná umožňuje dvojitou regulaci – pomocí natáčení oběžných nebo rozváděcích lopatek. S natáčením oběžných lopatek souvisí vznik neprůběžné spáry u náboje a průběžné spáry u komory. Ty lze v CFD simulacích modelovat třemi přístupy: bez spár, s průběžnými spárami a s reálnou geometrií včetně čepového uložení v náboji. Práce si klade za cíl analyzovat vliv jednotlivých přístupů na proudění v oběžném kole Kaplanovy turbíny a porovnat jejich dopady. Simulace byly uskutečněny v programu ANSYS CFX. Byl testován pouze jeden provozní bod daný spádem, natočením rozváděcích lopatek a lopatek oběžného kola. Byly provedeny jak stacionární, tak nestacionární výpočty. Hodnocení je rozděleno do dvou fází: v první jsou porovnány přístupy s geometrií bez spár a s průběžnými spárami, ve druhé pak přístup s průběžnou a reálnou spárou. Hodnoceny byly rozdíly v energetických veličinách, rozložení tlaku a rychlosti, tvorbě vírových struktur i kavitačních jevech. Výsledky ukázaly výrazné rozdíly mezi přístupy, které zjednodušují geometrii. Oproti tomu rozdíl mezi geometrií s reálnou a průběžnou spárou nebyl výrazný, což naznačuje, že čepové uložení lopatky má na proudění slabý vliv.

This thesis deals with the problem of gap modelling in the runner of a Kaplan turbine, which is one of the most widely used types of water turbines worldwide. It is the only turbine that allows dual regulation – by rotating the runner blades and the guide vanes. The rotation of the runner blades leads to the formation of discontinuous hub gap and a continuous tip gap. These gaps can be modelled in CFD simulations using three approaches: without gaps, with continuous gaps and with a real geometry including the pin connection within the hub. The aim of this work is to analyse the influence of these different modelling approaches on the flow in the Kaplan turbine runner and to compare their effects. Simulations were carried out using ANSYS CFX software, considering only one operating point defined by the head and the blade angles of the guide vanes and the runner blades. Both steady-state and transient simulations were performed. The evaluation is divided into two stages: the first compares the geome-tries without gaps and with continuous gaps, and the second compares the continuous gap with the real geometry. The analysis focuses on differences in energy parameters, pressure and velocity distributions, vortices, and cavitation phenomena. The results revealed significant differences between the simplified geometrical approaches. In contrast, the difference between the continuous gap and real gap geometry was minor, indicating that the pin connection of the blade has only a limited effect on the flow.