مطالعه عددي تاثير ايجاد شيار روي مخروطي چرخ پمپ- توربين بر الگوي جريان گردابه اي لوله مكش

Numerical Investigation of the Effect of Locating Groove on the Runner Cone of a Pump-Turbine on the Vortex Flow in the Draft Tube

نوسانات شديد فشار ناشي از طناب گردابه در مخروطي زير چرخ و لوله مكش پمپ- توربين در عملكرد بار جزيي حالت توربيني، باعث ايجاد ارتعاشات شديد، سر و صدا و افت عملكرد مي شود. متداول ترين روش براي كاهش اين نوسانات تزريق هوا از محور توربين است. اين روش داراي مشكلاتي نظير تاثير منفي بر بازده، هزينه زياد و پيچيدگي فني بالا مي باشد. در اين مقاله، به منظور غلبه بر اين مشكلات، ايجاد شيار بر روي سطح مخروطي چرخ به منظور كاهش نوسانات و تغييرات فشار در لوله مكش و به تبع آن كاهش ارتعاشات توربين در دو حالت پمپي و توربيني مطالعه شده است. در اين راستا ابتدا هندسه ي چرخ و لوله مكش براساس مشخصات هيدروليكي و اطلاعات موجود از نيروگاه سياه بيشه طراحي شده است. در ادامه ميدان سه بعدي جريان با استفاده از نرم افزار انسيس سي اِف ايكس تحليل و درستي نتايج با بررسي استقلال حل از شبكه و مقايسه-ي با نتايج تجربي راستي آزمايي شده اند. بيش‌ترين اختلاف بين عملكرد طراحي انجام شده و طرح واقعي كمتر از 2 درصد مي-باشد. نتايج نشان مي دهد كه ايجاد شيار بر روي سطح مخروطي چرخ در حالت توربيني باعث افزايش سرعت زير مخروطي چرخ، كاهش تغييرات فشار و همچنين كاهش مساحت نواحي كم فشار در ابتداي لوله مكش مي شود. بيش‌ترين كاهش تغييرات فشار در ايتداي لوله مكش در دو وضعيت بازشدگي پره هاي هادي كمتر از 60 % و بيشتر از 90% نقطه اسمي اتفاق مي افتد. افزون بر اين، حداكثر افت بازده در طرح اصلاح شده كمتر از 3/0 درصد بوده است. همچنين در حالت پمپي به دليل تغيير جهت چرخش ميزان سرعت مماسي در زير چرخ افزايش يافته است.

Intense pressure pulsations, which are caused by the vortex rope in the runner cone and the draft tube of pump-turbines, result in vibrations and noise under partial load conditions in turbine mode and also reduce the machine’s efficiency. The most common method for reducing these fluctuations is injecting air through the shaft. This method has some disadvantages such as, negative influence on efficiency, high cost, and technical difficulties. In the present paper, the concept of locating grooves on the conic surface of runner has been investigated. In this regard, the runner and the draft tube geometry have been designed according to the specifications and the accessible information of Siah-Bishe project. Afterwards, the 3-dimensional flow field has been solved numerically, using Ansys CFX package. The numerical results have been verified by investigating their independency from grid size and comparing the results with experimental ones. Maximum difference between the proposed and the existing design’s performance is than 2 percent. The results indicate that locating grooves on the conic surface of the runner results in an increase in the flow velocity beneath the runner cone. Moreover, pressure pulsations have been decreased and the low-pressure area at the beginning of the draft tube shrank. The maximum amount of decrease in pressure pulsations has been recorded in two opening positions of the guide vanes (lower than 60% and more than 90% of design point). In addition, maximum efficiency drop in the revised design is less than 0.3 percent. Furthermore, because of the rotational direction change in the pump mode, the magnitude of the tangential velocity is increased.