Investigation of a Francis turbine during start-stop

Abstract

En numerisk studie av en Francis-turbin under off-design drift har blitt utført for å undersøke bladbelastningen forårsaket av turbulensfenomener nært grensesnitt og trykkpulseringer. Målet med arbeidet var å identifisere virvelutvikling og strømningsdynamikk i ladeapparatet, skovl kanalen og innløpet av sugerør under simulering av en komplett avslutningssekvens. De siste årene brukes turbiner oftere under varierende driftsforhold og start-stopp-operasjoner. Dette fører til utfordringer når det gjelder turbinlevetid, kostnader, vedlikehold og sikkerhet.

Undersøkelsen ble gjort ved hjelp av numerisk strømningsanalyse med en forenklet tredimensjonal skala modell av en Francis turbin. En kontinuerlig simulering av en avslutning fra Beste effektivitetspunkt til Minimumsbelastning ble utført ved hjelp av dynamisk bevegelse av ladeapparatet. For å sikre tilstrekkelig numerisk nøyaktighet er det laget et automatisert system ved hjelp av Python koder for å generere nytt diskritiseringsdomene for ledeskovlene. Turbulensmodellen som er benyttet er Scale-Adaptive Simulation av den tidligere Shear Stress Transport $k-\omega$-modellen med tilstrekkelig diskritiseringsoppløsning for å kunne analysere virvel strukturene i strømningsfeltet.

Resultatene viste periodiske virvelstrukturer som kom inn i skovlkanalen og forårsaket dynamiske trykkbelastninger på bladene nær løpehjulinntaket under den første delen av avstengningen. På slutten av nedstengningen avtok de periodiske virvelstrukturene, mens store stokastiske virvelstrukturer dukket opp rundt hovedskovlenes forkant. Ytterligere stokastiske virvler ble dannet ved løpehjulsinntaket på trykksiden på grunn av strømningsseparasjon ved minimumsbelastning. Resultater i sugerøret viser at det roterende virvel strukturen forplanter seg oppstrøms som følge av resirkuleringslommer på siden av løpehjulskjeglen. Disse resirkuleringslommene dannes på grunn av produksjon av strømningsgater under løpehjulskjeglen, og resultatene indikerer en sterk sammenheng mellom strømningsgaten og formen på det roterende virvelen.

Samlet sett innebærer funnene i det nåværende arbeidet at i første fase virker et lavnivå og oscillerende trykkbelastning på den øvre delen av skovlene. Mens det i sluttfasen virker store stokastiske trykkrefter på den nedre delen av hovedskovlene. Lastene er størst på den bakre kanten, hvor bladet er tynneste. Derfor ble det konkludert med at skovl belastningen til slutt vil forårsake tretthetsbrudd etter et visst antall avstengninger, og bruddpunktet vil mest sannsynlig oppstå ved skovlenes bakkant.

A numerical study of a Francis turbine during off-design operation has been conducted investigating the blade loading caused by turbulence phenomena near interfaces and pressure pulsations. The aim of the present work was to identify vortex development and flow dynamics in the stator, runner blade channel and draft tube inlet during simulation of a complete shutdown sequence. In recent years, turbines are more often used under varying operating conditions and start-stop operations. This leads to challenges in terms of turbine lifetime, cost, maintenance, and safety.

The investigation was made using computational fluid dynamics with a simplified three-dimensional scale model of a Francis turbine. A continuous simulation of a shutdown from Best Efficiency Point to Minimum Load was performed use a dynamic mesh for the stator system. To ensure numerical accuracy when using dynamic mesh, a Python-based automatic remeshing system was developed. The turbulence model selected was the Scale-Adaptive Simulation of the Shear Stress Transport $k-\omega$ model with sufficiently refined mesh to be able to analyse the vortical structures in the flow field.

The results showed periodic vortex structures entering the blade channel causing dynamic pressure loads on the blades close to runner inlet during the first part of shutdown. At the end of the shutdown, the periodic vortex structures decayed while large stochastic vortical structures appeared around main blades trailing edge. Additional stochastic vortices was formed at runner inlet on pressure side due to flow separation at Minimum Load. Results in the draft tube showed that the rotating vortex rope propagates upstream along runner cone as a result of recirculation pockets on the runner cone side. These recirculation pockets are formed due to production of flow gates underneath the runner cone and the results indicates a strong correlation between the flow gate and the formation of the rotating vortex rope.

Overall, the findings in the present work implies that in the first phase, a low level oscillating pressure force acts on the upper part of the blades. During the final stage, large stochastic pressure forces act on the lower part. Loads are greatest at the trailing edge, where the blades are thinnest. Therefore, it was be concluded that blade loading will eventually cause fatigue damage after a certain number of shutdowns, and failure will most likely occur at the runner blades trailing edge before the leading edge.