Experimental Studies of Pressure Pulsations in Draft Tube Diffuser of Pump-Turbine Models for Heads up to 200 m

А. Русанов; В. Суботин; О. Хорев; О. Линник; Ю. Биков; П. Коротаєв; Є. Агібалов

doi:10.15407/scine20.03.053

Автор(и)

А. Русанов Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0002-9957-8974
В. Суботин АТ «Українські енергетичні машини» https://orcid.org/0000-0002-2489-5836
О. Хорев Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0001-6940-4183
О. Линник АТ «Українські енергетичні машини» https://orcid.org/0000-0003-1946-3032
Ю. Биков Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0001-7089-8993
П. Коротаєв Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0002-7473-9508
Є. Агібалов Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0003-3866-9992

DOI:

https://doi.org/10.15407/scine20.03.053

Ключові слова:

насос-турбіна, проточна частина, пульсації тиску, робоче колесо, відсмоктувальна труба, експериментальні дослідження

Анотація

Вступ. Збільшення частки маневрових і резервних генеруючих потужностей для покриття добових піків споживання електроенергії є одним із першочергових завдань повоєнного розвитку енергетики України.
Проблематика. На сьогодні до гідротурбін висувають вимоги не тільки з підвищення ефективності, а й із розширення діапазону роботи. Так, нові гідроагрегати Дністровської ГАЕС мають забезпечити надійну експлуатацію в турбінному режимі у діапазоні потужностей 40—100 % від номінальної, тоді як чотири раніше встановлені працюють у діапазоні 70—100 %. Виконати це можливо за рахунок підвищення ККД і зниження рівня пульсацій тиску на режимах малих потужностей.
Мета. Встановити закономірності розподілу пульсацій тиску в дифузорі відсмоктувальної труби моделі гідроагрегату на основі дослідження впливу просторової форми лопатей робочих коліс радіально-осьової насос-турбіни на гідродинамічний процес у проточній частині.
Матеріали й методи. Селективні експериментальні дослідження трьох варіантів моделей проведено на гідродинамічному стенді ІПМаш ЕКС-30. Лопаті робочих коліс виготовлено з пластику PLA методом 3D-друку, що дозволило скоротити строки досліджень і знизити витрати. Пульсації тиску вимірювали датчиками у двох точках дифузору відсмоктувальної труби на відстані 0,2 і 1,5 діаметра робочого колеса від обода колеса.
Результати. За допомогою колових навалів спроєктовано й експериментально досліджено три модифікації робочого колеса насос-турбіни на напори до 200 м, що відрізнялися лише взаємним розташуванням профілів лопатей. Аналіз отриманих універсальних енергетичних і пульсаційних характеристик моделей у турбінному режимі показав,
що кращі показники має модель із робочим колесом із негативним коловим навалом лопатей.
Висновки. Визначений вплив просторової форми лопатей робочих коліс на енергетичні й пульсаційні характеристики моделі радіально-осьової насос-турбіни на напори до 200 м дозволив підвищити її ефективність і знизити рівень пульсацій тиску у проточній частині.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

Hydropower capacity should more than double by 2050 to meet climate goals, Irena says. The National News. URL: https://www.thenationalnews.com/business/energy/2023/02/14/hydropower-capacity-should-more-than-double-by2050-to-meet-climate-goals-irena-says/ (Last accessed: 03.06.2023).

Kougias, I., Aggidis, G., Avellan, F., Deniz, S., Lundin, U., …, Theodossiou, N. (2019). Analysis of emerging technologies in the hydropower sector. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 113, 109257. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109257 .

Zhao, W., Presas, A., Egusquiza, M., Valentín, D., Egusquiza, E., Valero, C. (2021). Increasing the operating range and energy production in Francis turbines by an early detection of the overload instability. Measurement, 181, 109580. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2021.109580 .

Pasche, S., Avellan, F., Gallaire, F. (2019). Optimal Control of Part Load Vortex Rope in Francis Turbines. ASME. J. Fluids Eng., 141(8), 081203. https://doi.org/10.1115/1.4042560.

Pereira, J. G., Vagnoni, E., Favrel, A., Landry, C., Alligné, S., Nicolet, C., Avellan, F. (2022). Prediction of unstable full load conditions in a Francis turbine prototype. Mechanical Systems and Signal Processing, 169, 108666. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2021.108666 .

Pasche, S., Gallaire, F., Avellan, F. (2019). Origin of the synchronous pressure fl uctuations in the draft tube of Francis turbines operating at part load conditions. Journal of Fluids and Structures, 86, 13—33. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2019.01.013 .

Dörfl er, P., Sick, M., Coutu, A. (2013). Flow-Induced Pulsation and Vibration in Hydroelectric Machinery. London: Springer-Verlag. https://doi.org/10.1007/978-1-4471-4252-2 .

Lai, X., Chen, X., Liang, Q., Ye, D., Gou, Q., Wang, R., Yan, Y. (2023). Experimental and numerical investigation of vortex fl ows and pressure fl uctuations in a high-head pump-turbine. Renewable Energy, 211, 236—247. https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.04.092 .

Amini, A., Vagnoni, E., Favrel, A., Yamaishi, K., Müller, A., Avellan, F. (2023). Upper part-load instability in a reduced-scale Francis turbine: an experimental study. Experiments in Fluids, 64(6), 110. https://doi.org/10.1007/s00348-023-03649-0.

Jamali, R., Sohani, A., Hemmatpour, K., Behrang, M., Ghobeity, A. (2022). Experimental study of pressure pulsation in a large-scale hydropower plant with Francis turbine units and a common penstock. Energy Conversion and Management, X(16), 100308. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2022.100308.

Jhankal, N. K., Kumar, A., Mangla, M. (2023). Establishment of correlation for the pressure fl uctuations on the low-head Francis turbine in the draft tube cone from the model test. Flow Measurement and Instrumentation, 91, 102360. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2023.102360 .

Kumar, S., Cervantes, M. J., Gandhi, B. K. (2021). Rotating vortex rope formation and mitigation in draft tube of hydro turbines — A review from experimental perspective. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 136, 110354. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.110354 .

Favrel, A., Gomes Pereira Jr, J., Müller, A., Landry, C., Yamamoto, K., Avellan, F. (2020). Swirl number based transposition of fl ow-induced mechanical stresses from reduced scale to full-size Francis turbine runners. Journal of Fluids and Structures, 94, 102956. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2020.102956 .

Favrel, A., Liu, Z., Hossein Khozaei, M., Irie, T., Miyagawa, K. (2022). Anti-phase oscillations of an elliptical cavitation vortex in Francis turbine draft tube. Physics of Fluids, 34, 064112. https://doi.org/10.1063/5.0091210.

Hossein Khozaei, M., Favrel, A., Miyagawa, K. (2022). Infl uence of swirling fl ow parameters on frequency response of a simplifi ed draft-tube in presence of cavitation. International Journal of Heat and Fluid Flow, 98, 109043. https://doi.org/10.1016/j.ĳheatfluidflow.2022.109043 .

Shahzer, M. A., Cho, Y., Shamsuddeen, M. M., Kim, J.-H. (2023). Investigation of cavitating vortex rope instabilities and its suppression inside a Francis turbine model with Thoma number variation. Physics of Fluids, 35(3), 033310. https://doi.org/10.1063/5.0140973 .

Muhirwa, A., Li, B., Su, W.-T., Liu, Q.-Z., Binama, M., Wu, J., Cai, W.-H. (2020). Investigation on mutual traveling infl uences between the draft tube and upstream components of a Francis turbine unit. Renewable Energy, 162, 973—992. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.08.107.

Geng, C., Li, Y., Tsujimoto, Y., Nishi, M., Luo, X. (2022). Pressure oscillations with ultra-low frequency induced by vortical fl ow inside Francis turbine draft tubes. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 51, 101908. https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101908 .

Liu, Z., Favrel, A., Takahashi, W., Miyagawa, K. (2021). Numerical simulation of the unsteady cavitating fl ow in a Francis turbine draft tube at Upper-Part-Load (UPL) conditions. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 774, 012089. https://doi.org/10.1088/1755-1315/774/1/012089.

Khullar, S., Kumar, S., Singh, K. M., Cervantes, M. J., Gandhi, B. K. (2021). Infl uence of the runner cone design on the pressure fl uctuations in the draft tube of a low head Francis turbine. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 774, 012110. https://doi.org/10.1088/1755-1315/774/1/012110.

Wang, L., Cui, J., Shu, L., Jiang, D., Xiang, C., Li, L., Zhou, P. (2022). Research on the Vortex Rope Control Techniques in Draft Tube of Francis Turbines. Energies, 15(24), 9280. https://doi.org/10.3390/en15249280.

Grein, H. (1981). Vibration phenomena in Francis turbines: their causes and prevention. Escher Wyss News, 54, 37—42.

Joy, J., Raisee, M., Cervantes, M. J. (2023). Experimental investigation of an adjustable guide vane system in a Francis turbine draft tube at part load operation. Renewable Energy, 210, 737—750. https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.04.096.

Zhou, X., Wu, H., Shi, C. (2019). Numerical and experimental investigation of the eff ect of baffl es on fl ow instabilities in a Francis turbine draft tube under partial load conditions. Advances in Mechanical Engineering, 11(1), 1687814018824468. https://doi.org/10.1177/1687814018824468.

Bucur, D. M., Dunca, G., Bunea, F., Ciocan, G. D. (2019). Experimental analysis of the operation of a small Francis turbine equipped with an innovative aeration device. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 240(4), 042010. https://dx.doi.org/10.1088/1755-1315/240/4/042010.

Khullar, S., Singh, K. M., Cervantes, M. J., Gandhi, B. K. (2022). Numerical Analysis of Water Jet Injection in the Draft Tube of a Francis Turbine at Part Load Operations. ASME. J. Fluids Eng., 144(11), 111201. https://doi.org/10.1115/1.4054564 .

Mohammadi, M., Hajidavalloo, E., Behbahani-Nejad, M. (2019). Investigation on Combined Air and Water Injection in Francis Turbine Draft Tube to Reduce Vortex Rope Eff ects. ASME. J. Fluids Eng., 141(5), 051301. https://doi.org/10.1115/1.4041565 .

Zhou, X., Wu, H., Cheng, L., Huang, Q., Shi, C. (2023). A new draft tube shape optimisation methodology of introducing inclined conical diff user in hydraulic turbine. Energy, 265, 126374. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.126374 .

Su, W.-T., Binama, M., Li, Y., Zhao, Y. (2020). Study on the method of reducing the pressure fl uctuation of hydraulic turbine by optimizing the draft tube pressure distribution. Renewable Energy, 162, 550—560. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.08.057 .

Chen, Z., Baek, S.-H., Cho, H., Choi, Y.-D. (2019). Optimal design of J-groove shape on the suppression of unsteady fl ow in the Francis turbine draft tube. Journal of Mechanical Science and Technology, 33(5), 2211—2218. https://doi.org/10.1007/s12206-019-0423-x .

Lai, X.-D., Liang, Q.-W., Ye, D.-X., Chen, X.-M., Xia, M.-M. (2019). Experimental investigation of fl ows inside draft tube of a high-head pump-turbine. Renewable Energy, 133, 731—742. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.10.058.

Zhang, F., Xiao, R., Zhu, D., Liu, W., Tao, R. (2023). Pressure pulsation reduction in the draft tube of pump turbine in turbine mode based on optimization design of runner blade trailing edge profi le. Journal of Energy Storage, 59, 106541. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.106541.

Lampart, P., Rusanov, A., Yershov, S., Marcinkowski, S., Gardzilewicz, A. (2005). Validation of a 3D RANS solver with a state equation of thermally perfect and calorically imperfect gas on a multi-stage low-pressure steam turbine fl ow. Journal of Fluids Engineering, 127(1), 83—93. https://doi.org/10.1115/1.1852491.

Rusanov, A. V., Subotin, V. H., Khoryev, O. M., Bykov, Y. A., Korotaiev, P. O., Ahibalov, Y. S. (2022). Eff ect of 3D Shape of Pump-Turbine Runner Blade on Flow Characteristics in Turbine Mode. J. of Mech. Eng., 25(4), 6—13. https://doi.org/10.15407/pmach2022.04.006 .

Lampart, P., Gardzilewicz, A., Yershov, S., Rusanov, A. (2001). Investigation of interaction of the main fl ow with root and tip leakage fl ows in an axial turbine stage by means of a source/sink approach for a 3D Navier-Stokes solver. Journal of Thermal Science, 10(3), 198—204. https://dx.doi.org/10.1007/s11630-001-0019-4.

Lampart, P., Gardzilewicz, A., Rusanov, A., Yershov, S. (1999). The eff ect of stator blade compound lean and compound twist on fl ow characteristics of a turbine stage — Numerical study based on 3D NS simulations. American Society of Mechanical Engineers, Pressure Vessels and Piping Division PVP, 397(II), 195—204.

Yershov, S., Rusanov, A., Gardzilewicz, A., Lampart, P. (1999, August). Calculations of 3D viscous compressible turbomachinery fl ows. Proc. 2nd Symp. on Comp. Technologies for Fluid/ Thermal/Chemical Systems with Industrial Applications, ASME PVP Division Conf. (1—5 August, 1999, Boston, USA), 397.2, 143—154.

Rusanov, A. V., Solovey, V. V., Lototskyy, M. V. (2020). Thermodynamic features of metal hydride thermal sorption compressors and perspectives of their application in hydrogen liquefaction systems. Journal of Physics: Energy, 2(2), 021007. https://doi.org/10.1088/2515-7655/ab7bf4.

Bykov, Y., Khoryev, O., Korotaiev, P., Dedkov, V., Agibalov, Y. (2022, October). Numerical Investigation of Unsteady Flow in Draft Tube with Ribs. 2022 IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek) (3—7 Oct. 2022, Kharkiv), 589—594. https://doi.org/10.1109/KhPIWeek57572.2022.9916461

Khoryev, O., Korotaiev, P., Agibalov, Y., Bykov, Y., Maksymenko-Sheiko, K. (2023). Experimental Studies of Pump-Tur bi ne Flow Part Models at Heads of 80—120 m. In Advances in Mechanical and Power Engineering. CAMPE 2021. Lecture No tes in Mechanical Engineering. Cham: Springer. 24—33. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/978-3-031-18487-1_3