In quanto fonte di energia rinnovabile a risposta rapida, l'energia idroelettrica svolge solitamente un ruolo di regolazione dei picchi di domanda e della frequenza nella rete elettrica, il che significa che le centrali idroelettriche spesso devono operare in condizioni diverse da quelle di progetto. Analizzando un gran numero di dati sperimentali, è emerso che quando la turbina opera in condizioni non di progetto, soprattutto in condizioni di carico parziale, si verificano forti pulsazioni di pressione nel tubo di aspirazione. La bassa frequenza di queste pulsazioni di pressione influisce negativamente sulla stabilità operativa della turbina e sulla sicurezza dell'impianto e dell'officina. Pertanto, le pulsazioni di pressione nel tubo di aspirazione sono oggetto di grande interesse sia per l'industria che per il mondo accademico.
Da quando il problema della pulsazione di pressione nel tubo di aspirazione di una turbina è stato proposto per la prima volta nel 1940, la sua causa è stata oggetto di studio e discussione da parte di numerosi studiosi. Attualmente, si ritiene generalmente che la pulsazione di pressione nel tubo di aspirazione in condizioni di carico parziale sia causata dal movimento vorticoso a spirale all'interno del tubo stesso; la presenza del vortice rende disomogenea la distribuzione della pressione sulla sezione trasversale del tubo di aspirazione e, con la rotazione della fascia vorticosa, anche il campo di pressione asimmetrico ruota, causando variazioni periodiche della pressione nel tempo e generando la pulsazione di pressione. Il vortice elicoidale è generato dal flusso vorticoso all'ingresso del tubo di aspirazione in condizioni di carico parziale (ovvero, in presenza di una componente tangenziale della velocità). Il Bureau of Reclamation degli Stati Uniti ha condotto uno studio sperimentale sul vortice nel tubo di aspirazione, analizzando la forma e il comportamento del vortice a diversi livelli di vorticità. I risultati mostrano che solo quando il livello di vorticità raggiunge un certo valore, si forma una fascia vorticosa a spirale all'interno del tubo di aspirazione. Il vortice elicoidale appare in condizioni di carico parziale, quindi solo quando la portata relativa (Q/Qd, dove Qd è la portata di progetto) del funzionamento della turbina è compresa tra 0,5 e 0,85, si verificherà una forte pulsazione di pressione nel tubo di aspirazione. La frequenza della componente principale della pulsazione di pressione indotta dalla fascia vorticosa è relativamente bassa, equivalente a 0,2-0,4 volte la frequenza di rotazione della girante, e minore è il valore di Q/Qd, maggiore è la frequenza della pulsazione di pressione. Inoltre, quando si verifica la cavitazione, le bolle d'aria generate nel vortice ne aumentano le dimensioni, intensificando la pulsazione di pressione e modificandone di conseguenza la frequenza.
In condizioni di carico parziale, la pulsazione di pressione nel tubo di aspirazione può rappresentare una grave minaccia per il funzionamento stabile e sicuro dell'unità idroelettrica. Per sopprimere questa pulsazione di pressione, sono state proposte molte idee e metodi, come l'installazione di alette sulla parete del tubo di aspirazione e la ventilazione nel tubo di aspirazione sono due misure efficaci. Nishi et al. hanno utilizzato metodi sperimentali e numerici per studiare l'effetto delle alette sulla pulsazione di pressione del tubo di aspirazione, compresi gli effetti di diversi tipi di alette, gli effetti del numero di alette e le loro posizioni di installazione. I risultati mostrano che l'installazione di alette può ridurre significativamente l'eccentricità del vortice e ridurre la pulsazione di pressione. Dmitry et al. hanno anche scoperto che l'installazione di alette può ridurre l'ampiezza della pulsazione di pressione dal 30% al 40%. Anche la ventilazione dal foro centrale dell'albero principale al tubo di aspirazione è un metodo efficace per sopprimere la pulsazione di pressione. Il grado di eccentricità del vortice. Inoltre, Nishi et al. Abbiamo anche provato a ventilare il tubo di aspirazione attraverso piccoli fori sulla superficie dell'aletta, e abbiamo scoperto che questo metodo può sopprimere la pulsazione di pressione e che la quantità d'aria necessaria è molto piccola quando l'aletta non può funzionare.
Data di pubblicazione: 9 agosto 2022
