Pump turbines in existing powerplants
Abstract
En brukervennlig metode for å designe kontraroterende aksialpumper har blitt utviklet ved bruk av Matlab. Grafiske brukergrensesnitt har blitt laget for å skrive inn designparametre og å vise designresultater. Designmetoden benytter seg av eksisterende løftelinjeteori for design og optimalisering av kontraroterende propeller, men den er modifisert for å muliggjøre aksialpumpedesign.
Å erstatte det nåværende Francis-løpehjulet med en reversibel pumpeturbin på samme sted blir vurdert som en besparende måte å ettermontere pumpekapasitet på Roskrepp vannkraftverk. Innledende simuleringer estimerer at den reversible pumpeturbinen vil levere for lav løftehøyde når den opererer i pumpemodus. En kontraroterende aksial boosterpumpe til å pumpe i serie med den reversible pumpeturbinen er foreslått for å gjøre opp for den manglende løftehøyden. Et førstedesign av en boosterpumpe er derfor laget ved bruk av den utviklede designmetoden. Boosterpumpedesignet klarte bare å levere en del av den nødvendige løftehøyden, men det argumenteres for at løftehøydekravet til boosterpumpen er valgt urealistisk høyt. Trykkhøyden levert av førstedesignet er derfor muligens tilstrekkelig, men en evaluering av den reelle løftehøydemangelen til den reversible pumpeturbinen må gjennomføres for å vite dette sikkert. Det foreslåtte førstedesignet har en ikke-optimal hydraulisk virkningsgrad, men den totale hydrauliske virkningsgraden for boosterpumpen og den reversible pumpeturbinen i serie er derimot regnet som akseptabel. Rotasjon i strømningen ved utløpet av den bakerste impelleren er anslått å være årsaken til den lave virkningsgraden til boosterpumpen.
Forskjeller i propell- og pumpeoptimalisering begrenser bruken av den utviklede designmetoden til pumper med høy virkningsgrad, altså pumper med lite utløpsrotasjon. Den oppnåelige løftehøyden til førstedesignet av boosterpumpen antas derfor å være overestimert. Design med høye virkningsgrader antas å være mer nøyaktige med den utviklede designmetoden. Designet av både den reversible pumpeturbinen og boosterpumpen må evalueres på nytt før et endelig boosterpumpedesign kan bestemmes. A user-friendly method of designing contra-rotating axial flow pumps have been developed in Matlab. Graphical user interfaces have been developed for inputting design parameters and viewing the design results. The design method utilizes existing lifting-line design theory for the optimization of a set of contra-rotating propellers but is modified to facilitate axial pump design.
Replacing the current Francis runner with a reversible pump turbine in the same location is considered as a cost-saving way of retrofitting Roskrepp hydropower plant with pumping capacity. Preliminary simulations estimate a pressure head deficit when operating the reversible pump turbine in pump mode. A contra-rotating axial booster pump for pumping in series with the reversible pump turbine is proposed as a way of making up this head deficit. Therefore, a preliminary design of a booster pump was created using the developed design method. The booster pump design was only able to deliver part of the head deficit, but it is argued that the booster pump’s head requirement is set unrealistically high. The attained booster pump head may therefore be sufficient, but an assessment of the real head deficit of the reversible pump turbine must be conducted to know for sure. The proposed pump design showed a suboptimal hydraulic efficiency, however, the total hydraulic efficiency of the booster pump and reversible pump turbine pumping in series is considered acceptable. Swirl velocities at the aft impeller outlet is believed to be the cause of the low booster pump efficiency.
Differences in propeller and axial pump optimization restricts the application of the created design method to high-efficiency pumps, i.e. pumps with no outlet swirl. The obtained design’s attainable head is therefore assumed to be overpredicted. High-efficiency designs are believed to achieve more accurate results with the developed method. Further assessment of the design of both the reversible pump turbine and the axial booster pump is needed before deciding on a final booster pump design.