Numerical study of unsteady flow in slits and investigation of methods to reduce pressure pulsations in pipes

Abstract

Noe av vannet som strømmer gjennom en Francis turbin lekker opp over løpehjulet mot øvre lokk. Dette vannet evakueres gjennom små spalter i lokket, og ledes videre gjennom et rørsystem til et kjølevannsbasseng. Virvelavløsninger i disse spaltene skaper trykkpulsasjoner når høyhastighets vann passerer gjennom åpningen. Det ble gjort en vibrasjonsmåling av Norconsult på Torpa kraftverk i Januar 2014 som ble sammensatt til en rapport. Disse målingene viste høye trykkvibrasjoner på et målepunkt som er gjort i volumet nedstrøms spalten. Som følge av dette utviklet Rainpower en hypotese som foreslo at virvelavløsningene i spalten kan være årsaken til de høye trykkvibrasjonene. Hvis disse trykkpulsasjonene ikke dempes eller fjernes kan det redusere levetiden til rørene.

Strømningen gjennom spalten ble undersøkt ved bruk av CFD beregninger i denne rapporten. Dette gjøres for å validere hypotesen og også opprette en numerisk modell som fungerer til å løse dette problemet. Rainpower har ønsket å undersøke om designet på spalteåpningen kan gjøres om slik at trykkpulsasjonene fra virvelavløsningene reduseres. Siden dette er en transient case med et avansert strømningsfelt krever det mye tid og datakraft å løse. Dermed har ikke optimalisering av designet blitt vurdert i denne oppgaven på grunn av begrensninger relatert til CFD. Geometrien fra Torpa brukes i CFD simuleringene. Dette gjør det mulig å validere simuleringene mot målingene som allerede er gjort på Torpa. I tillegg ble det gjort arbeid for å finne andre måter å løse problemet på Torpa. Dette inkluderer en undersøkelse av rådataen fra målingene presentert i FFT plot og beregninger på resonans. Rådataen ble brukt til å identifisere hvilke frekvenser som det oppsto høye trykkvibrasjoner på. Resonansberegningene gikk ut på å sammenligne rørlengder og bølgehastigheter med en stående bølgeform som indikerer resonans. Dette ble gjort for å se om resonans kan være en årsak til de høye trykkverdiene eller om det kan bli det i fremtiden.

De høyeste trykkverdiene ble målt på $36.5$ Hz på begge målepunktene som er analysert. Denne frekvensen ble brukt sammen med en målt trykkamplitude som grensebetingelse i CFD beregningene. Von Karman avløsninger, som er et nærliggende fenomen, skjer når Strouhal tallet er omtrent 0.21. Hvis man bruker spaltehøyden på $93$ mm som karakteristisk lengde og omtrent $40$ m/s som hastighet, får man en avløsningsfrekvens på $90$ Hz. Det ble også produsert en frekvens på $90$ Hz i spalten i CFD simuleringen. Resultatene fra CFD simuleringen indikerte ikke at virvelavløsninger i spalten er en sannsynlig årsak til trykkvibrasjonene på $36.5$ Hz. Det var ingen forsterkning av $36.5$ Hz frekvensene i spalten, og ingen av virvelavløsningsfrekvensene i spalten forplantet seg videre nedstrøms. Likevel er det mange feilkilder i CFD beregningene som ble gjort. Derfor er det foreslått spesifikke forbedringer som kan gjøres på CFDen som en del av det videre arbeidet.

Resonansberegningene indikerte ikke at resonans var kilden til noen av de høye målingene i vibrasjonsrapporten. Disse beregningene er basert på bølgehastighetsberegninger som antar null luftinnhold i vannet. Bølgeforplantningshastighetene er veldig sensitive til luftbobler i vannet, og det er sannsynligvis en liten andel luft i vannet naturlig. Dette kunne det ikke tas høyde for i disse beregningene. Bedre antakelser kan gjøres hvis denne hastigheten måles i rørene på anlegget. Det er en akkumulator som er installert i rørsystemet. Målingene viser en betydelig demping av trykkverdiene nedstrøms dette punktet. Dersom luftinnholdet i akkumulatoren økes kan denne effekten forsterkes og gi bedre beskyttelse til rørene nedstrøms. Siden det er rør oppstrøms akkumulatoren også er disse utsatt for de høye trykkverdiene i volumet over spalten. Det kan settes akkumulatorer på alle tre innløpene til disse rørsystemene, for å isolere trykkpulsasjonene i volumet over spalten, og dermed øke levetiden på hele rørsystemet.

Some of the water in a Francis turbine leaks up above the runner towards the head cover. In order to avoid heating which leads to boiling of this water it is evacuated through some narrow slits in the head cover. Downstream the slits the water is further evacuated through a pipe system and into a cooling water basin. Vortex shedding occur when high speed rotational water pass through these slits causing pressure pulsations. Measurements were made by Norconsult at Torpa power plant in January 2014 and conducted into a report. These measurement measured some high pressure amplitudes in the volume above the head cover downstream the slit, and in the pipe system. Rainpower developed a hypothesis which suggests that vortex shedding in the slits cause some of these pressure pulsations. If these pressure amplitudes are not reduced or removed it is going to decrease the lifetime of the pipes.

The flow through the slits is investigated using CFD simulations in this thesis work. This is done to validate the hypothesis and develop a numerical model for the case. Rainpower wanted to investigate the effects of the slit design on the pressure pulsations. Since this is a transient case with a complicated flow field it was not possible to look at optimisation of the design in this report due to the time limitations related to CFD. The geometry from Torpa is used in this study trying to validate the CFD with the measurements done by Norconsult. Additional effort was put into finding alternative solutions to solve the problem at Torpa. As such the FFT plots from relevant measurement points were analysed in order to determine which frequencies had high amplitudes. A resonance study was also done based on comparing lengths in the pipe system and wave speeds to standing wave shapes. This was done to establish if resonance can be the source of the problem, or if it can occur after new changes are implemented.

The FFT plots showed that the highest amplitudes were at $36.5$ Hz for most of the runs. A measured amplitude at this frequency were used as an outlet boundary condition in the CFD. Von Karman vortex street is a comparable phenomenon which occur at a Strouhal number of 0.21. Suggesting a characteristic length of $93$ mm and a free stream velocity of $40$ m/s gives a frequency of approximately $90$ Hz. Frequencies was also seen in the slit at $90$ Hz in the CFD results. The CFD results did not indicate that the vortex shedding in the slit was the source of the $36.5$ Hz amplitudes downstream. This is because there was no amplification of the $36.5$ Hz amplitudes in the slit compared to the outlet, and the vortex shedding frequencies did not propagate downstream. However there are many sources of errors in the CFD simulations. As such specific suggestions are made to improve the CFD simulations in the further work.

Resonance calculations did not indicate that resonance was the source of any of the peak amplitudes in the measurement report. This is based on calculations assuming no air content in the pipe. Wave speeds are highly sensitive to air bubbles in the water, and most likely there is a small percentage of air in the water naturally. This could not be accounted for in these simulations. Better assumptions can be made if wave speeds are measured experimentally in the pipes at the plant. There is an accumulator installed at Torpa in the pipe system. This is an hydraulic component which can reduce pressure amplitudes. A reduction in pressure amplitude for the peaks at $36.5$ Hz is seen at a measurement point downstream the accumulator. If the air content in the accumulator is increased this will further reduce the amplitudes in the downstream pipes. However, since there are some pipe sections upstream the accumulator, they will still be vulnerable for high pressure amplitudes. If accumulators are installed at all the inlets to this pipe system it will increase the lifetime of all the pipes.