Radiale und diagonale bidirektionale Luftturbinen für den Einsatz in Wellenenergiekraftwerken

This thesis addresses novel bidirectional reaction turbines of radial and mixed flow types which promise several advantages compared to the axial Wells turbines usually installed in present-day oscillating water column (OWC) wave energy converters. Based on the blade element momentum (BEM) method, a design tool for the rotor blades has been developed. Different casing designs were investigated under bidirectional flow and design criteria were developed. Empirical models were employed to estimate specific losses and efficiencies already during the design process. By use of RANS simulations and flow field measurements insights into the air turbines’ fundamental flow phenomena have been gained. One radial and three mixed flow turbines were designed, manufactured and precisely measured at the specially developed bidirectional air turbine test facility at University of Siegen. The functionality of both radial and mixed flow turbines has been demonstrated in experiments. The mixed flow turbines have been proven to be particularly advantageous. Compared to some state of the art Wells turbines, the characteristic curves of the best investigated mixed flow turbine demonstrated a significantly increased power density and a considerably extended operating range at a high efficiency and without hysteresis effects. The peak efficiency as well as the specific noise emission are of similar magnitude as for well-designed axial Wells turbines. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit neuartigen bidirektionalen Überdruckturbinen radialer und diagonaler Bauarten, die gegenüber den bis heute meist eingesetzten axialen Wellsturbi-nen in Wellenenergiekraftwerken nach dem Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC) Vorteile versprechen. Als Entwurfswerkzeug für die Beschaufelung wurde ein erweitertes Blatt-Element-Momenten (BEM)- Verfahren entwickelt. Weiterhin wurden verschiedene bidirektional durchströmte Gehäusevarianten untersucht und Entwurfskriterien formuliert. Empirische Modelle dienten zur Abschätzung von Verlusten und Wirkungsgraden bereits im Auslegeprozess. Mit RANS-Simulationen und Stromfeldmessungen wurden Erkenntnisse zu grundlegenden Strömungsphänomenen in den Luftturbinen gewonnen. Eine radiale und drei diagonale Turbinen wurden ausgelegt, gebaut und auf einem eigens entwickelten bidirektio-nalen Luftturbinenprüfstand an der Universität Siegen vermessen. Die Funktionsfähigkeit sowohl radialer als auch diagonaler bidirektionaler Überduckturbinen konnte experimentell nachgewiesen werden. Die diagonale Bauform erwies sich als besonders vorteilhaft. Im Ver-gleich zu sehr guten axialen Wellsturbinen nach dem aktuellen Stand der Technik weist die beste der hier entwickelten diagonalen Turbinen eine deutlich größere Leistungsdichte, einen signifikant erweiterten Betriebsbereich mit gutem Wirkungsgrad sowie hysteresefreie Kennli-nien auf. Spitzenwirkungsgrad und die spezifische Geräuschemission liegen auf ähnlichem Niveau wie bei sehr guten axialen Wellsturbinen.