Development and Implementation of a Methodology for Reverse Engineering Design of Francis Turbine Runners

Abstract

Francis type hydraulic turbine runners have complex blade shapes. Runner blades have three dimensional profiles that direct the incoming flow. In this study, a reverse engineering methodology is developed for the redesign of turbines. Traditional reverse engineering steps are combined with the basics and flow dynamics of hydraulic turbines and applied to two different turbine runners (which have different specific speeds) of two different hydroelectric power plants in operation. The methodology is first verified by application on the first runner and utilized for the redesign of the runner of another power plant. The reasons for the reduced performance of the second runner are examined with the help of the new inverse engineering design methodology and a rehabilitation study is performed. Thus, the runner which only provides 70% of its installed capacity, is redesigned and can now utilize its full capacity. Francis tipi su türbinlerine ait çark kanatlarının yapısı oldukça karmaşıktır. Üç boyutlu profilleri ile gelen akışı yönlendirirler. Bu çalışmada, türbinlerin yeniden tasarımı için bir tersine mühendislik yöntemi geliştirilmiştir. Geleneksel tersine mühendislik yöntemi, hidrolik türbin temel çalışma prensipleri ve akışkanlar mekaniği temelleri ile birleştirilerek iki farklı kullanımda olan santralin türbin çarkına (iki farklı özgül hızı olan) uygulanmıştır. Yöntem, öncelikle bir santrale uygulanarak doğrulanmış, ardından diğer santralin türbin çarkının yeniden tasarımında kullanılmıştır. İkinci santralin türbin çarkının çalışmasındaki sorunların sebepleri yeni geliştirilen yöntem ile araştırılmış ve çarkın rehabilitasyonu gerçekleştirilmiştir. Kapasitesinin %70'i verimle çalışan çark, tam kapasite çalışır hale gelmiştir.

Reverse engineering of pump as turbine for CFD analysis

“…For this reason, it is necessary to reconstruct the given turbine geometry using 3D scanning. So-called reverse engineering (RE) is mainly used for larger machines (more than 1 MW of installed power) [4] and is quite costly. Therefore, our effort was directed towards using low-cost 3D scanners to make our effort financially viable but as precise as possible.…”

Radyal akışlı francis su türbinlerinin kanatçık profilinin belirlenmesi ve performans analizi için bir matematik modelin geliştirilmesi

“…Yazarlar tasarım dışı çalışmalardan dolayı kanatçıkların ön ucunda, hava kabarcığı oluşan kısımlarda ve tahliye kanalında kavitasyon oluştuğunu vurgulayarak, yaptıkları yeni tasarımda bunları azaltmak için önlem almışlardır. Çelebioglu ve Kaplan [22] yaptıkları başka bir çalışmada, bir tersine mühendislik metodu geliştirmiş ve kullanımda olan iki farklı hidroelektrik santralinin yeniden tasarımına uygulamışlardır. Türkiye Odalar ve Borsalar Birliği Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesinde (TOBB ETU) su türbinlerinin geliştirilmesi için bir tasarım ve test merkezi kurulmuştur [23].…”