Entwicklung einer Francis-Turbinenserie

Durch stetige Weiterentwicklung der CFD-Werkzeuge ist es möglich, im Bereich der Kleinwasserkraft Hydraulikentwicklungen ohne aufwendige Modellversuche durchzuführen, welche aufgrund der oftmals niedrigen finanziellen Projektvolumina nur schwer zu finanzieren sind. Da das Institut über jahzehntelange Erfahrung im Bereich CFD / numerische Simulation von hydraulischen Strömungsmaschinen verfügt und die verwendeten Verfahren auf Basis von Messergebnissen aus dem institutseigenen Labor vielfach validiert wurden, werden Neuentwicklungen von Kaplan- oder Francis-Turbinen meist mittels CFD-unterstützter Auslegung und Optimierung durchgeführt.

Von 2012 bis 2013 ist eine Francis-Turbinen-Hydraulikserie für Kleinwasserkraftanlagen entwickelt worden, deren spezifische Schnellläufigkeit nq zwischen 26 U/min und 105 U/min lag.

Unter Verwendung von Auslegungsanhalten von Thomann, Siervo, Lugaresi, und zahlreichen Anderen wurden auf Basis von aktuell gegebenen Anlagendaten die Hauptabmessungen der Turbine festgelegt. Im Zuge dessen wurden vor allem charakteristische Abmaße, wie Laufraddurchmesser am Ein- und Austritt, Leitschaufelhöhe, Mittenkreisdurchmesser des Leitapparats sowie auch die Leit- und Laufschaufelanzahl, definiert. Unter Verwendung von eindimensionalen Auslegungsverfahren wurde für jede zu entwickelnde Francisturbinenhydraulik ein initiales Maschinendesign erarbeitet und bis zum Best-Efficiency-Point der Francis-Turbine bei gefordertem Durchfluss und Fallhöhe optimiert. Zur Evaluierung der berechneten Ergebnisse hinsichtlich Wirkungsgrad und auch Kavitationsverhalten [Kavitation...] wurden wiederum Anhalte aus der Literatur bzw. entsprechende wissenschaftliche Publikationen verwendet

Weiters wurden der Durchfluss und die Fallhöhe der Francis-Turbinen variiert, um Wirkungsgrad- und Sigma-Muscheldiagramme zu erstellen. Alle Ergebnisse wurden in einem Auslegungstool zusammengefasst (siehe Projekt "Entwicklung eines Auslegungstools für Francis-Turbinen"), welches eine benutzerfreundliche Auswahl von Maschinen und deren Abmessungen für Projekte mit konkreten Anlagendaten ermöglicht. Die erarbeiteten Ergebnisse werden beispielhaft in den folgenden Abbildungen bzw. Diagrammen zusammengefasst.