Design of a multistage pump turbine

This thesis describes a preliminary study of an innovative design concept for pump-turbine impellers, characterized by an axial stage put before the main radial-flow impeller. This idea arises from the problem of reducing the installation depth of the machinery in pumped storage power plants, which - especially for small-scale or medium-scale power plants - plays an important role in the total plant costs. The axial stage works as an inducer during pump operation, delivering a certain head and thus a higher pressure on the suction side of the radial-flow stage. In this way a lower machine installation depth is allowed without risk of cavitation damage. In particular, this work focuses on the preliminary hydraulic design of the pump-turbine impeller, on its CFD-simulation and optimization. Firstly a detailed analysis of the empirical methods for the preliminary design of hydraulic machines was carried out, for defining a complete design procedure of the pump-turbine. Secondly, the main dimensions and an initial geometry of the pump-turbine impeller were calculated on the basis of these design criteria and the first geometrical model of the impeller was developed. The initial design was then simulated with the software IDS (Integrated Design System), based on the RANS-solver NS3D. Finally, the first optimization steps were carried out. The interaction between the axial and the radial blades was studied and also the optimal number of blades was defined. The blade angles, geometry and profiles were iteratively improved via CFD-simulations and flow analysis. As target parameters for the optimization were considered not only the achieved head, power and hydraulic efficiency but also the pressure distribution on the blades and, in particular, the cp_min-peak, which is an expression of the cavitation performance of the impeller. The analysis of the results shows that, with this innovative design concept, good hydraulic performance are achievable and, moreover, the wanted reduction of the installation depth of the machine can be successfully obtained.

La presente tesi descrive lo studio preliminare di una soluzione innovativa per la girante di macchine idrauliche reversibili pompa-turbina per centrali idroelettriche ad accumulo mediante pompaggio. Il concetto di macchina che è stato sviluppato ha la particolarità di avere uno stadio di pompa-turbina assiale anteposto allo stadio principale di tipo centrifugo. Questa soluzione costruttiva nasce con lo scopo di ridurre la profondità di installazione necessaria per il funzionamento della macchina idraulica. La profondità di installazione è generalmente imposta dalla pressione minima richiesta a lato aspirazione della macchina per evitare problemi di cavitazione durante il funzionamento in modalità di pompaggio e da essa dipende quindi la collocazione della sala macchine in una centrale idroelettrica a pompaggio. Risulta quindi evidente che la riduzione della tendenza alla cavitazione potrebbe giocare un ruolo determinante nell'abbattimento del costo complessivo di impianto, soprattutto per centrali di piccola e media taglia, nelle quali i costi di scavo e opere civili incidono fortemente sul costo complessivo. Nella configurazione di macchina studiata, lo stadio assiale lavora in fase di pompaggio come una pompa nutrice, aumentando la pressione sul lato di aspirazione della girante principale a flusso radiale. In questo modo viene ridotta la tendenza alla cavitazione in fase di pompaggio e, di conseguenza, è possibile ridurre la profondità di installazione della pompa-turbina senza il pericolo di incorrere in fenomeni di danneggiamento per cavitazione. Nello specifico, la tesi è focalizzata sul progetto idraulico preliminare della girante, la sua simulazione fluidodinamica ed ad un processo di progressivo miglioramento della geometria, per affinarne le prestazioni in fase di pompaggio e di turbinaggio.