PIV measurements in the vaneless space of a Francis turbine

Abstract

Todimensjonale particle image velocimetry målinger er blitt utført i omdreiningshulrommet inne i francisturbinen på Vannkraftlaboratoriet på Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. Målingene er utført ved fem stasjonære driftspunkter; henholdsvis to på lav last, ett i bestpunkt og to på høy last. Denne masteroppgaven undersøker strømningsseparasjonen, vaken, virvelavløsninger fra bakkanten av ledeskovlene og interaksjonen mellom rotor- og statorside (RSI).

Gjennomsnittlige hastighetsfelt ble beregnet fra 22 sekunders lange opptak, som tilsvarer 3600 turbinbladpasseringer. Den nøyaktige posisjonen til strømningsseparasjonen var ikke mulig å bestemme ut fra hastighetsfeltene, men bredden til vaken indikerte at separasjonen av grensesjiktet oppstod oppstrøms for bakkanten av ledeskovlen på sugesiden. Hastighetstapet var størst rett bak ledeskovlen og ble redusert etter hvert som væsken beveget seg vekk fra ledeskovlen. Vakens retning endret seg etter ledeskovlens vinkling. Vaken hadde et større hastighetstap ved rotorinngangen for høyere ledeskovlvinkler siden interaksjonspunktet i rotorinngangen og bakkanten av ledeskovlen var nærmere hverandre for disse vinklene.

Frekvensanalyse av samplinger med en varighet på 1,8 sekunder og en samplingsrate på 4166 Hz ble utført. Effektspektre fra vertikale hastighetskomponenter i punkter nær rotorinngangen og i vaken ble beregnet for å fange opp RSI- og virvelavløsningsfrekvensen. Den dominerende frekvensen i punktet nært rotoren sammenfalte med bladpasseringsfrekvensen på 166,5 Hz. På grunn av grensesjiktsseparasjonen ved trykk- og sugeside av skovlen oppstod uregelmessige virvler med ulik rotasjon. Virvelavløsningsfrekvensen var mellom 1803 og 1977 Hz, og jo lavere ledeskovlvinkel, desto høyere var frekvensen. Ved å benytte den absolutte hastigheten bak ledeskovlen som fristrømshastigheten i den empiriske formelen til Brekke, stemte de estimerte virvelavløsningsfrekvensene godt overens med de målte frekvensene.

Two-dimensional particle image velocimetry measurements have been conducted in the vaneless space in the Francis turbine at the Waterpower Laboratory at the Norwegian University of Science and Technology. Measurements have been carried out at five different steady state operating points; two at part load, one at best efficiency point and two at high load. The present master thesis investigates the flow separation, wake, vortex shedding from the guide vane and rotor-stator interaction (RSI).

Time-averaged velocity fields have been computed from samples with a duration of 22 seconds, corresponding to 3600 runner blade passings. The exact positions of the separation points were not possible to determine from these velocity fields, but the width of the wake indicated a boundary layer separation upstream of the trailing edge tip at the suction side. The velocity deficit downstream of the guide vane decreased with an increasing distance from the trailing edge, and the wake path was dependent on the guide vane opening. The wake had a larger velocity deficit at the runner inlet at higher guide vane angles due to the shorter distance between the guide vane trailing edge and the runner interaction point.

Frequency analysis was performed on samples that lasted for 1.8 seconds, with a sample rate of 4166 Hz. To capture the RSI and vortex shedding frequency, power spectra were computed from the vertical velocity component at points near the runner inlet and in the wake. The dominant frequency at a point near the runner inlet was equal to the runner blade passing frequency. Irregular vortices of opposite rotation appeared behind the trailing edge of the guide vane as a result of boundary layer separation at the pressure and suction side. The vortex shedding frequency increased with a decreasing guide vane opening and was in the range of 1803-1977 Hz. By using the absolute velocity behind the guide vane as the free stream velocity in the empirical formula of Brekke, the estimated vortex shedding frequencies from the empirical formula were in strong agreement with the measured vortex shedding frequencies.