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、電力系統においてピーク調整や周波数調整の役割を担うことが多く、そのため水力発電設備は設計条件から逸脱した条件下で運転する必要が生じる場合が少なくありません。多数の試験データを分析した結果、タービンが非設計条件、特に部分負荷条件下で運転されると、タービンのドラフトチューブ内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設備および作業場の安全性に悪影響を及ぼします。そのため、ドラフトチューブの圧力脈動は、産業界および学術界で広く注目されています。
タービンのドラフトチューブ内の圧力脈動の問題が1940年に初めて提起されて以来、その原因は多くの学者によって関心を集め、議論されてきた。現在、学者たちは一般的に、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運動によって引き起こされると考えている。渦の存在により、ドラフトチューブの断面上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、圧力が時間とともに周期的に変化して圧力脈動が形成される。螺旋渦は、部分負荷条件下（すなわち、速度の接線成分が存在する場合）のドラフトチューブ入口での旋回流によって引き起こされる。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、異なる旋回度での渦の形状と挙動を分析した。その結果、旋回度が一定のレベルに達した場合にのみ、ドラフトチューブ内に螺旋渦帯が現れることが示された。らせん状の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、ドラフトチューブ内に激しい圧力脈動が発生します。渦ベルト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、ランナーの回転周波数の0.2～0.4倍に相当し、Q/Qdが小さいほど圧力脈動の周波数は高くなります。さらに、キャビテーションが発生すると、渦内で発生する気泡によって渦のサイズが大きくなり、圧力脈動がより激しくなり、圧力脈動の周波数も変化します。
部分負荷条件下では、ドラフトチューブ内の圧力脈動は、水力発電ユニットの安定かつ安全な運転に大きな脅威となる可能性があります。この圧力脈動を抑制するために、ドラフトチューブの壁にフィンを取り付けたり、ドラフトチューブにベントしたりといった多くのアイデアや方法が提案されています。西らは、実験的および数値的方法を用いて、フィンの種類、フィンの数、設置位置の影響を含め、ドラフトチューブの圧力脈動に対するフィンの影響を研究しました。その結果、フィンの設置により渦の偏心度を大幅に低減し、圧力脈動を低減できることが示されました。ドミトリーらも、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ベントも、圧力脈動を抑制する効果的な方法です。渦の偏心度。さらに、西らは、また、フィン表面の小さな穴を通してドラフトチューブを換気する試みも行い、この方法によって圧力脈動を抑制できること、そしてフィンが機能しない場合でも必要な空気量が非常に少ないことを発見した。
投稿日時：2022年8月9日
