水力発電は応答速度の速い再生可能エネルギー源として、通常、電力網におけるピーク調整と周波数調整の役割を担っており、水力発電ユニットは設計条件から逸脱した条件で運転する必要があることがよくあります。多数の試験データを分析した結果、タービンが設計条件外の条件、特に部分負荷条件で運転する場合、タービンの吸気管に強い圧力脈動が発生することが指摘されています。この圧力脈動の低周波は、タービンの安定運転やユニットおよび工場の安全性に悪影響を及ぼします。そのため、吸気管の圧力脈動は産業界と学界から広く懸念されています。
タービンのドラフトチューブ内の圧力脈動の問題は、1940年に初めて提唱されて以来、多くの学者がその原因に関心を寄せ、議論してきました。現在、学者の間では、部分負荷条件下でのドラフトチューブの圧力脈動は、ドラフトチューブ内の螺旋渦の動きによって引き起こされると考えられています。この渦の存在により、ドラフトチューブの断面の圧力分布が不均一になり、渦帯の回転に伴って非対称圧力場も回転し、時間とともに圧力が周期的に変化して圧力脈動を形成します。螺旋渦は、部分負荷条件下でのドラフトチューブ入口での旋回流（つまり、速度の接線方向成分がある）によって引き起こされます。米国開拓局はドラフトチューブ内の旋回に関する実験的研究を行い、異なる旋回度における渦の形状と挙動を分析しました。その結果、旋回度が一定のレベルに達した場合にのみ、ドラフトチューブに螺旋渦帯が現れることがわかりました。螺旋渦は部分負荷条件下で発生するため、タービン運転時の相対流量（Q/Qd、Qdは設計点流量）が0.5～0.85の場合にのみ、ドラフトチューブに激しい圧力脈動が発生します。渦帯によって誘発される圧力脈動の主成分の周波数は比較的低く、ランナ回転周波数の0.2～0.4倍に相当し、Q/Qdが小さいほど圧力脈動周波数は高くなります。また、キャビテーションが発生すると、渦中に発生した気泡によって渦のサイズが大きくなり、圧力脈動が激しくなり、圧力脈動の周波数も変化します。
部分負荷状態では、ドラフトチューブ内の圧力脈動が水力発電ユニットの安定的で安全な運転に大きな脅威となる可能性があります。 この圧力脈動を抑えるために、ドラフトチューブの壁にフィンを設置したり、ドラフトチューブに換気したりするなど、多くのアイデアや方法が提案されています。 Nishi et al. は、異なるタイプのフィンの影響、フィンの数と設置位置の影響など、ドラフトチューブの圧力脈動に対するフィンの影響を、実験的および数値的方法を使用して研究しました。 結果は、フィンの設置により、渦の偏心が大幅に低減され、圧力脈動が低減することを示しています。 Dmitry et al. はまた、フィンの設置により、圧力脈動の振幅を30％から40％低減できることを発見しました。 主軸の中央の穴からドラフトチューブへの換気も、圧力脈動を抑制する効果的な方法です。 渦の偏心の度合い。 さらに、Nishi et al.また、フィンの表面にある小さな穴を通してドラフトチューブを換気することも試み、この方法は圧力脈動を抑制でき、フィンが機能しないときに必要な空気の量が非常に少ないことも発見しました。
投稿日時: 2022年8月9日
