Analysis of Cavitation-Induced Unsteady Flow Conditions in Francis Turbines under High-Load Conditions

空化 尾水管 混流式水轮机 机械 涡轮机 压力降 水轮机 振动 材料科学 水力机械 涡流 热力学 物理 声学
作者
H. L. Wang,Daqing Zhou,An Yu,Junxun Guo
出处
期刊:Processes [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:12 (1): 72-72 被引量:2
标识
DOI:10.3390/pr12010072
摘要

Hydraulic vibrations in Francis turbines caused by cavitation profoundly impact the overall hydraulic performance and operational stability. Therefore, to investigate the influence of cavitation phenomena under high-load conditions, a three-dimensional unsteady numerical simulation is carried out for a Francis turbine with different head operating conditions, which is combined with the SST k-w turbulence model and two-phase flow cavitation model to capture the evolution of cavitation under high-load conditions. Additionally, utilizing entropy production theory, the hydraulic losses of the Francis turbine during cavitation development are assessed. Contrary to the pressure-drop method, the entropy production theory can quantitatively reflect the characteristics of the local hydraulic loss distribution, with a calculated error coefficient τ not exceeding 2%. The specific findings include: the primary sources of energy loss inside the turbine are the airfoil cavitation and cavitation vortex rope, constituting 26% and 71% of the total hydraulic losses, respectively. According to the comparison with model tests, the vapor volume fraction (VVF) inside the draft tube fluctuates periodically under high-load conditions, causing low-frequency pressure pulsation in the turbine’s power, flow rate, and other external characteristic parameters at 0.37 Hz, and the runner radial force fluctuates at a frequency of 1.85 Hz.
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