Numerical study of flow calming structures in hydropower plants

Abstract

For å forlenge livsløpet til hydrauliske turbiner er det nødvendig å minimere skader forårsaket av sedimentslitasje. En mulig løsning er å forbedre sandfanget for å redusere mengden sedimenter som når turbinene. I dette arbeidet brukes numeriske simuleringer til å undersøke hvordan installering av v-formede raker ved sandfangets innløp og ribber ved utløpet påvirker sandfangseffektiviteten. Det har blitt laget tre-dimensjonelle modeller av sandfanget i Tonstad kraftverk. Arbeidet viser at inkludering av ribber reduserer den totale sedimentmassen som forlater sandfanget med 24.5 \% fra basisverdien, noe som leder til økt sandfangseffektivitet. Som en konsekvens øker sandfangets falltap med 1.8 \%. Inkludering av de v-formede rakene i tillegg øker heller den totale sedimentmassen som forlater sandfanget med 48.5 \% fra basisverdien. Dermed synker sandfangseffektiviteten. Dette øker også falltapet med 12.7 \%. Resultatene viser også at turbulente strømninger som oppstår i diffuseren gjør at sedimenter med diameter mindre enn 1 mm forhindres i å slå seg til ro i sandfanget. Den hydrauliske representasjonen av den numeriske modellen valideres ved å sammenligne med PIV-målinger av strømningsfeltet i skalaekperimenter og med ADCP-målinger fra det faktiske sandfanget.

In order to increase the life span of hydraulic turbines in hydropower plants, it is necessary to minimize damages caused by sediment erosion. One solution is to reduce the amount of sediments by improving the sand trap. In the present work, the effects on sand trap efficiency by installing v-shaped rake structures for flow distribution and rib structures for sediment trapping is investigated numerically using the SAS-SST turbulence model. Three-dimensional models of the sand trap in Tonstad hydropower plant are created. The v-shaped rake structures are located in the diffuser near the inlet of the sand trap, while the ribs cover a section of the bed in the downstream end. The present study showed that when including ribs in the model, the total weight of sediments escaping the sand trap is reduced by 24.5 \% from the base value. This leads to an improved sand trap efficiency. Consequently, the head losses in the sand trap are increased by 1.8 \%. By including the v-shaped rakes in addition, the total weight of sediments escaping the sand trap is instead increased by 48.5 \% from the base value, thus worsening the sand trap efficiency. This increases head losses by 12.7 \%. The results also show that turbulent flow commencing at the sand trap diffuser prevents the downstream settling of sediments with a diameter of < 1 mm. The hydraulic representation of the numerical model is validated by comparing to PIV measurements of the flow field from scale experiments and ADCP measurements from the prototype.