Als snel reagerende, hernieuwbare energiebron speelt waterkracht doorgaans een rol in de piekbelastingsregeling en frequentieregulering van het elektriciteitsnet. Dit betekent dat waterkrachtcentrales vaak moeten werken onder omstandigheden die afwijken van de ontwerpcondities. Analyse van een grote hoeveelheid testgegevens heeft aangetoond dat wanneer de turbine onder niet-ontwerpcondities werkt, met name bij deellast, er sterke drukpulsaties in de aanzuigbuis van de turbine optreden. De lage frequentie van deze drukpulsaties heeft een negatieve invloed op de stabiele werking van de turbine en de veiligheid van de installatie en de werkplaats. Daarom is de drukpulsatie in de aanzuigbuis een onderwerp van grote belangstelling in zowel de industrie als de academische wereld.
Sinds het probleem van drukpulsaties in de aanzuigbuis van een turbine in 1940 voor het eerst werd aangekaart, is de oorzaak ervan door vele wetenschappers onderzocht en besproken. Momenteel is men het er algemeen over eens dat de drukpulsaties in de aanzuigbuis onder deellastomstandigheden worden veroorzaakt door de spiraalvormige wervelbeweging in de aanzuigbuis. De aanwezigheid van de wervel zorgt voor een ongelijkmatige drukverdeling in de dwarsdoorsnede van de aanzuigbuis. Door de rotatie van de wervelband roteert ook het asymmetrische drukveld, waardoor de druk periodiek verandert en drukpulsaties ontstaan. De spiraalvormige wervel ontstaat door de wervelende stroming bij de inlaat van de aanzuigbuis onder deellastomstandigheden (dat wil zeggen, er is een tangentiële snelheidscomponent). Het Amerikaanse Bureau of Reclamation heeft een experimenteel onderzoek uitgevoerd naar de werveling in de aanzuigbuis en de vorm en het gedrag van de werveling bij verschillende wervelingsgraden geanalyseerd. De resultaten tonen aan dat de spiraalvormige wervelband pas in de aanzuigbuis verschijnt wanneer de wervelingsgraad een bepaald niveau bereikt. De spiraalvormige wervel ontstaat onder deellastomstandigheden. Alleen wanneer de relatieve debietverhouding (Q/Qd, waarbij Qd het ontwerpdebiet is) van de turbine tussen 0,5 en 0,85 ligt, treedt er een sterke drukpulsatie op in de zuigbuis. De frequentie van de hoofdcomponent van de door de wervelband veroorzaakte drukpulsatie is relatief laag, namelijk 0,2 tot 0,4 keer de rotatiefrequentie van de rotor. Hoe kleiner de Q/Qd-verhouding, hoe hoger de frequentie van de drukpulsatie. Bovendien, wanneer cavitatie optreedt, vergroten de luchtbellen die in de wervel ontstaan de wervel en versterken ze de drukpulsatie, waardoor ook de frequentie van de drukpulsatie verandert.
Onder deellastomstandigheden kan de drukpulsatie in de zuigbuis een grote bedreiging vormen voor de stabiele en veilige werking van de waterkrachtcentrale. Om deze drukpulsatie te onderdrukken, zijn er diverse ideeën en methoden voorgesteld, zoals het aanbrengen van lamellen op de wand van de zuigbuis en het ventileren van de zuigbuis. Dit zijn twee effectieve maatregelen. Nishi et al. onderzochten met behulp van experimentele en numerieke methoden het effect van lamellen op de drukpulsatie in de zuigbuis, inclusief de effecten van verschillende soorten lamellen, het aantal lamellen en hun plaatsing. De resultaten tonen aan dat het aanbrengen van lamellen de excentriciteit van de werveling aanzienlijk kan verminderen en de drukpulsatie kan reduceren. Dmitry et al. ontdekten eveneens dat het aanbrengen van lamellen de amplitude van de drukpulsatie met 30% tot 40% kan verminderen. Ventilatie vanuit het centrale gat van de hoofdas naar de zuigbuis is ook een effectieve methode om de drukpulsatie te onderdrukken en de mate van excentriciteit van de werveling te verminderen. Daarnaast hebben Nishi et al. Ik heb ook geprobeerd de aanzuigbuis te ventileren via kleine gaatjes in het oppervlak van de vin en ontdekte dat deze methode de drukpulsatie kan onderdrukken en dat er zeer weinig lucht nodig is wanneer de vin niet functioneert.
Geplaatst op: 9 augustus 2022
