Jet calidad y eficiencia Pelton

T. Staubli, A. Abgottspon, P. Weibel C. Bissel, E. Parkinson

Hochschule Luzern - Technik y Architektur ANDRITZ Hydro

Technikumstrasse 21 Rue des deux Gares 6

CH-6048 Horw CH-1800 Vevey

J. Leduc, F. Leboeuf

Laboratoire de Méchanique des fluides et d'acoustique

Ecole Centrale de Lyon

36 avenue Guy-de-Collongue

P.-69134 Écully

abstracto

El documento ofrece una breve descripción de los contenidos y objetivos de un proyecto de investigación sobre chorros de turbinas Pelton realizadas por la Escuela Superior de Lucerna y la Ecole Centrale de Lyon en colaboración con ANDRITZ Hydro. Efectos gov-sejo de la calidad de los chorros de agua en las plantas Pelton se discuten, tales como: la dispersión de chorro, que se define por el wid-forta- del chorro con la distancia desde la boquilla e incluye la mezcla de agua del aire en la superficie del chorro, el chorro de-desviación, que se define por la desviación de la línea central chorros desde el eje teórico, la deformación se describe por la falta de redondez del chorro, la rotación del chorro, el nivel de turbulencia, flujos secundarios que conducen a rayas en el chorro, el aire atrapado burbujas provocando expansiones repentinos en la superficie de chorro y, finalmente, gotitas o salpicaduras wa-ter incide sobre el chorro libre en la carcasa de la turbina.

Con estudios de caso de las plantas de energía el potencial de mejora de la eficiencia se señaló. La combinación de la medición de la eficiencia termodinámica, la visualización de flujo y simulaciones CFD permitido en los casos investigados buena interpretación. Las imágenes tomadas del chorro en las plantas de energía permite la evaluación cuantitativa del diámetro del chorro y su dispersión y, finalmente, la desviación. Una relación clara del aumento de la dispersión de chorro y la eficiencia de-arrugada se pudo encontrar. Además, se encontró una correlación directa de curvas aguas arriba y la dispersión de chorro. Este efecto es inducida por flujos secundarios.

1. Importancia de la calidad del jet de turbinas Pelton

Turbinas Pelton pertenecen a la clase de las turbinas de acción. La energía cinética del chorro se reduce a un mínimo cuando pasa a través de los cubos del corredor. Esta desaceleración se produce dentro de una corta distancia dentro de los cubos. Las presiones necesarias para la desaceleración en coche el corredor y efecto la par del eje para el funcionamiento de la turbina. El orden de magnitud de la desaceleración puede ser típicamente de 10 000 m / s2 o 1.000 veces la aceleración debida a la gravedad.

La larga experiencia en el desarrollo de turbinas Pelton condujo a una optimización de este proceso y la máxima efi - CIES cerca de 92% y en condiciones favorables, incluso mayores eficiencias se alcanzan. Condición necesaria para este tipo de eficiencias altas es un chorro de alta calidad que incide sobre los cubos Pelton. La calidad de chorro se puede describir con la uniformidad de la distribución de velocidad en el chorro, la ausencia de flujos secundarios y la compacidad del chorro. Villacorta [1] fue el primero en medir distribuciones de velocidad dentro de la nave y para investigar el chorro de dis-dispersión con los experimentos de laboratorio y pruebas de campo. Recientemente distribuciones de presión dentro de los cubos se ana-lyzed por Perrig [2]

Parque de maquinaria hidráulica de Suiza abarca más de 196 turbinas Pelton con poder de más de 5 MW instalados en un total de 107 centrales hidroeléctricas. Alrededor del 70 por ciento de energía hidroeléctrica generada en plantas con capacidad de almacenamiento se produce con turbinas Pelton, máquinas que también son especialmente adecuados para el pico de potencia gen-ración (regulación de la red). Con respecto a la generación hidroeléctrica total de en turbinas Pelton Suiza tener un porcentaje de aproximadamente el 40 por ciento.

92 de las 107 plantas de energía suiza Pelton hidroeléctricas fueron construidas antes de 1970. Muchos de ellos lo hicieron someterse a una restauró c-renova- mientras tanto - en su mayoría único corredor y el sistema de control de repuesto. Con el fin de minimizar el invertir - Ment costos, carcasas y los inyectores de las turbinas no son por lo general sustituye. Por lo tanto, se puede afirmar que en la mayoría de las plantas, la calidad de chorro corresponde al estado de la técnica en el diseño Pelton, antes de Villacorta [1] escribió su tesis en 1972.

Antes de iniciar el proyecto, que se describe a continuación, fuertes indicios se encontró que en un gran número de plantas Pelton, las ganancias de eficiencia en el orden de 0,5 a 1 por ciento podrían lograrse mediante la mejora de la calidad de chorro como se describe en el caso estudios de Staubli [3, 4] y Peron [5].

El estado del arte de los procedimientos actuales para los proyectos de rehabilitación Pelton centradas no sólo en el corredor y un sistema de control, sino también en la calidad del chorro es descrita por Parkinson [6]

2. El proyecto y sus temas

Con el fin de consolidar el conocimiento existente sobre las propiedades de chorro, para adquirir nuevos conocimientos y para encontrar formas de predecir la calidad de los aviones, un proyecto de investigación fue iniciada por ANDRITZ Hydro, en colaboración con la Escuela Superior de Lucerna, Suiza, y la Ecole Centrale de Lyon, Francia. La financiación externa de las ac-actividades de investigación fue proporcionado por Swisselectric-Investigación.

El proyecto abarca los paquetes de trabajo con las pruebas de campo, mediciones de laboratorio, CFD y estudios teóricos. El marco teórico mostró ser bastante complejo, ya que no sólo Froude, Weber y Reynolds núm-bros locales tienen influencia sobre las propiedades de chorro, sino también de toda la historia de flujo ascendente. En el flujo de aguas arriba, flujo de segunda dary debido a curvas, bifurcaciones y elementos dentro del flujo (por ejemplo servomotores internos o externos para el funcionamiento de la aguja dentro del inyector) apenas decae debido al alto número de Reynolds generalmente ocurren en las centrales hidroeléctricas. Estos flujos secundarios influyen en la topología de la jet y conducen a la deformación (superficie),-ción Devia (eje del chorro) y la rotación de las deformaciones del jet. Flujo secundaria también causa un aumento de la dispersión del diámetro del chorro. Las más cercanas son los elementos a la salida de la boquilla, por ejemplo, la aguja y la boca pieza, la más importante es su influencia en el desarrollo de chorro se convierte. Viejos diseños de inyectores

a menudo muestran ángulos ag y la pieza boca más pequeños en comparación con los diseños más recientes, un indicador de que la calidad de chorro podría no ser óptima.

La dinámica de fluidos computacional (CFD) muestra ser una herramienta valiosa para la predicción de las perturbaciones del flujo y de segunda - fluye dary. Con los modelos de superficie libre incluso desviaciones a reacción y deformaciones de la superficie se pueden predecir. Durante el proyecto, una serie de plantas de energía fueron analizados mediante simulación CFD.

Inestabilidad aguas arriba del flujo refleja en la superficie del chorro. Tal inestabilidad puede ser de naturaleza estocástica, por ejemplo, debido a la turbulencia del flujo generado en la tubería de carga o debido a fenómenos deterministas como propagaciones de ondas de presión o formaciones de vórtices periódicos en cavidades, bifurcaciones o estructuras de soporte (vórtices de Karman).

Figura 1: Definición de dispersión y desviación

La dispersión de chorro se define por el incremento del diámetro de chorro con la distancia desde la boquilla. Incluido en la definición del diámetro del chorro es la mezcla de agua del aire que rodea el núcleo del chorro. La desviación se define por la diferencia de la línea central de chorro desde el eje teórico.

Una vez que el chorro ha salido de la boquilla, más efectos pueden influir negativamente en el chorro y su dispersión, tales como: las gotas de agua o ventilados centrifugadas a partir de los recortes de cubo, las salpicaduras de agua se desvíe dentro de la carcasa o de deflectores en el

chorro. También se puede producir interferencias con otros aviones o inyectores. Por otra parte, las burbujas de aire a alta presión con el tiempo pueden encerrar en el agua en sentido contrario. Cuando la expansión después de la salida de la boquilla que esto dará lugar a una especie de explosiones observadas en la superficie del chorro. Durante el proceso de arranque de las turbinas Pelton tales encerrados aire y las explosiones resultantes son bastante comunes. El efecto de una mayor cantidad de aire se puede escuchar fácilmente fuera de la caja durante la creación de empresas. Durante el funcionamiento normal este ruido desaparece.

3. Las plantas Pelton investigados

En las plantas de energía de Suiza figuran en el cuadro 1, se realizaron mediciones de la eficiencia termodinámica y visualizaciones de chorro durante el proyecto. La dispersión de chorro y la desviación podrían determinarse cuantitativamente a partir de la visualización en la mayoría de los casos. Se observó clara correlación entre la eficiencia de la turbina y la calidad del chorro.

DIAMETRO DEL CHORRO

HIDROELECTRICATIPO

POTENCAI

DESCARGA ALTURA

(at

(HPP) nominal and 100%needle openings)

[MW] [m3/s] [m] [mm]

Sedruntwin horizontal turbines,

51.6 10.1 588 1822-nozzles each

Rabiusa-Realtahorizontal,

13 3 498 1472-nozzles

Soazzahorizontal,

40 7 704 1952-nozzles

Table 1: Main data of the investigated power plantsTabla 1: Principales datos de las centrales investigados

La instalación de equipos para la visualización prototipo es delicada ya que la mejor posicionamiento de la cámara y la instrumentación iluminación no se puede encontrar en la base de ensayo y error sino que debe basarse en la experiencia debido a la inaccesibilidad de los equipos. Además, las fuerzas mecánicas de posible atrapamiento de agua en la instrumentación de la cámara y la iluminación requiere una instalación rígida. Carcasas para cámara y las luces tienen que ser wa-terproof y deben tomarse medidas para evitar que se acumule la condensación sobre las lentes. A fin de lograr aceptar-capaz calidad de imagen bajo las circunstancias adversas presentes en la carcasa de un turbina Pelton con equipamiento especial es necesario. La carcasa de la cámara y las luces estroboscópicas se montaron en la protección de hous-Ings en el refugio del inyector y se cortan en el deflector y podrían ajustarse a

diferentes distancias de la salida de la boquilla con un motor paso a paso. Todo el equipo podría ser operado desde fuera de la carcasa.

3.1 HPP Sedrun

La Figura 2 muestra el resultado de las mediciones de la eficiencia termodinámica que han sido realizadas en el HPP Sedrun, con turbinas horizontales dobles, 2 -nozzles cada uno. La curva azul representa las eficiencias medidas para la operación de la boquilla 2 y las mediciones de puntos verdes y rojos con una sola boquilla en funcionamiento. La abertura de la aguja de la operación de una boquilla corresponde aproximadamente a la abertura en 0,9 de la salida máxima de la turbina con dos boquillas en funcionamiento. Por lo tanto la eficiencia de 0.45 de salida (1 boquilla) tienen que ser en comparación con la eficiencia en 0,9 salida (2 boquillas) y se observa que los puntos verdes del inyector inferior alcanzan casi la eficiencia de la operación de dos boquilla. En contraste el inyector superior se encuentra a unos 0,5 por ciento menor.

1-nozzle operation, lower injector

effi

cien

cy [

-]

0.5%

2-nozzle operation

1-nozzle operation, upper injector

Tu

rbin

e

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Turbine output [-]

Fig.2: Turbine efficiency measured in the HPP Sedrun

La Figura 3 muestra el resultado de las mediciones del diámetro de chorro. La curva azul da el diámetro del chorro teórico que se puede calcular a partir de la velocidad del chorro teórica y la velocidad de flujo. Observamos que las diferencias de los diámetros de chorro medidos entre la parte superior y las boquillas inferiores son significativos. Al comparar con la efi - mediciones carenciales, vemos que el diámetro mayor corresponde a la menor eficiencia. Este resultado da una clara indicación de que la dispersión de chorro se correlaciona con la eficacia. Una posible razón para la mayor dispersión del inyector superior podría ser la curvatura más fuerte que alimenta el inyector superior.

feeding the upper injector.

200

180theoretical jet diameter

160lower injector, z/D0=1.62

[mm

]

upper injector, z/D0=1.62

140Je

t d

iam

eter

120

100

80

600 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Turbine power [-]

Fig. 3: Jet diameter measurements in the HPP Sedrun at an axis distance of 1.62 times the nozzle diameter D0 of the injector.Fig. 3: Las mediciones de diámetro del chorro en la HPP Sedrun a una distancia del eje de 1,62 veces el diámetro de la boquilla del inyector D0.

Imágenes de chorro típicas tomadas en el HPP Sedrun se muestran en la figura 4 para dos distancias diferentes z desde la salida de la tobera (D0 = diámetro de la boquilla).

z = 0.68 (nozzle outlet) z = 2.33 (bucket impact)D D

0 0

40%

80%

100%

Fig. 4: HPP Sedrun: Jet images of the lower injector at different turbine power and nozzle distances

3.2 HPP Rabiusa-Realta

La configuración de las tuberías de distribución de entrada de tobera de dos, Pelton horizontal de los tur-bina Rabiusa-Realta HPP son bastante inusual. Cada entrada está equipado con una válvula esférica individual. Para darse cuenta de esto, el inyector inferior está equipado con dobles curvaturas en dos planos. Además, el ángulo entre los chorros superior e inferior es de sólo 45 grados que conducen a un alto riesgo de interferencia entre los dos chorros.

Las diferencias de rendimiento para las operaciones de una sola boquilla se mide a ser de 1,5 por ciento para este turbina. Las eficiencias máximas medidas con el inyector inferior son aún mayores que el de operación de dos boquillas. Esto podría ser probablemente explica por el hecho de que para una sola operación de la boquilla, no se produce la interferencia de chorro. Sin embargo, también para el chorro inferior condiciones de flujo son subóptimas. También en el Rabiusa Realta HPP, las diferencias entre los diámetros de chorro meas-ured de la parte superior y la inferior son significativos, el chorro superior que tiene un diámetro mayor. Aquí de nuevo la dispersión avión de mayor tamaño se correlaciona con menor eficiencia.

Un fuerte desviación del chorro inferior se puede observar, como se visualiza en la figura 6. La relación de las distancias a / b es 1,18. Esta fuerte desviación de la línea central chorros es causada por la historia de flujo aguas arriba dominado por el inyector inferior por los dobles codos en diferentes planos justo aguas arriba de la boquilla.

1.5

% 1-nozzle operation, lower injector

[-]

effi

cien

cy

2-nozzle operation

1-nozzle operation, upper injector

Tu

rbin

e

0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Turbine output [-]Fig.5: Layout of the HPP Rabiusa-Realta (left) and measured efficiencies (right)

Fig. 6: HPP Rabiusa-Realta: Jet deviation at the lower nozzle visualized with distances of the jet surface from the bucket splitter

Fig. 7 HPP Rabiusa-Realta: CFD simulation of the secondary flows in the jet

Los flujos secundarios se han analizado en detalle sobre la base de un estudio de CFD con el código comercial Ansys CFX y utilizando el modelo de transporte esfuerzo de corte (modelo SST). Las simulaciones se realizan a escala del modelo, por lo que en números de Reynolds bajos que en el prototipo. Los flujos secundarios resultantes predijeron en las dos salidas de boquilla se muestra en los primeros planos de la figura 7 que muestra la proyección de los vectores de velocidad en un plano perpendicular al eje del chorro. La escala de color presenta la magnitud de las proyecciones del vector de velocidad. Observamos una muy inusual distri-bución del flujo secundario. Los mayores valores de las magnitudes de flujo secundarias corresponden a alrededor del 3 por ciento-de la velocidad del chorro axial.

La deformación jet debido a los flujos secundarios se simuló con un enfoque separado resolver las ecuaciones de Reynolds con un modelo homogéneo para multifase simulación (agua-aire).

Fig. 8 fenómenos superficiales observadas en Rabiusa-Realta (izquierda) y Sedrun (derecha)

Todavía no explica completamente son fenómenos en la superficie jet observado en las plantas de energía de Rabiusa-Realta y Sedrun como capturado en las imágenes de la figura 8. Es evidente que la superficie se ve perturbado por, efectos singulares repentinos, que podrían ser Salpicar agua que inciden en el avión o aire atrapado cabo la ampliación del núcleo de chorro.

3.3 HPP Soazza

En la HPP Soazza nuevo flujo se han realizado visualizaciones y mediciones de eficiencia termodinámica, pero esta vez antes y después de su remodelación. Renovación incluyó el reemplazo corredor y Optimiza-ción de vivienda basado en completos ensayos con modelos homólogos.

Antes de renovación hubo de nuevo una clara diferencia en las eficiencias de entre el inferior y el superior en-proyector de 0,8 por ciento. Después de remodelación el nivel de eficiencia se incrementó en un 2,5 por ciento y la diferencia de eficiencia entre el menor y el inyector superior desapareció casi por completo.

Visualización en el inyector superior antes remodelación reveló que un montón de salpicaduras de agua estaba golpeando el chorro superior desde arriba. Al mejorar la geometría de la vivienda, el agua podría desviarse y durante la visualización después de su remodelación no podía ya observar el agua que salpica. En consecuencia, la eficiencia del inyector superior aumentó al mismo nivel que para el inyector inferior y también la medición del diámetro de chorro después de la renovación no hizo más mostrar una diferencia entre la parte superior y el chorro inferior.

2-nozzle operation, after refurbishment

2.5%

-] Upper injector, 1-nozzle operation, after refurbishment[ef

fici

ency Lower injector, 1-nozzle operation, after refurbishment

Tu

rbin

e

0 . 8 %

2-nozzle operation, before refurbishment

Upper injector, 1-nozzle operation, before refurbishment

Lower injector, 1-nozzle operation, before refurbishment

0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Turbine output [-]conclusiones

Medición de la eficiencia termodinámica, las visualizaciones de flujo y simulaciones CFD demostrado en su combinación de ser excelentes herramientas para una rápida detección de los puntos débiles de las turbinas en varias plantas de energía hidroeléctrica y fueron de gran ayuda para la optimización técnica de los proyectos de rehabilitación o renovación. Las imágenes tomadas del chorro permite la evaluación cuantitativa del diámetro de chorro, su dispersión y desviación eventual. Una clara relación entre el aumento de la dispersión de chorro y la disminución de la eficiencia se pudo encontrar. Además, se encontró una correlación di-rect de curvas aguas arriba y la dispersión de chorro. Este efecto es inducida por flujos secundarios. Otros fenómenos como trastornos repentinos observados en la superficie de chorro necesitan todavía más investigaciones.

Agradecimientos

Se hizo posible este estudio por una subvención de Swisselectric-Investigación. Financiación Industrial fue proporcionada por ANDRITZ Hydro.

Los autores agradecen al personal y los propietarios de las centrales de Sedrun, Rabiusa-Realta y Soazza por su apoyo durante las mediciones y por hacer posible estos estudios.

Referencias

1. Villacorta R., "Theoretische und experimentelle Untersuchungen un Einlaufdüsen von Freistrahlturbinen", Disertación ETH Nr. 4678, 1972

2. Perrig, A., "La hidrodinámica del flujo de superficie libre en cubos de la turbina Pelton", N ° 3715 Estos, 2007

3. Staubli, T., Hauser Hp, "visualización de flujo - una herramienta de diagnóstico para las turbinas Pelton.", IGHEM2004, Lucerna, Suiza, 2004

4. Staubli T., "KW Fionnay, Grande Dixence SA, Strahlbeobachtung", Informe interno 2004

5. Perón, M., E. Parkinson, Geppert L., Staubli T., "Importancia de la calidad del jet en la eficiencia Pelton y cavitación", IGHEM2008, Milán, Italia, 2008

6. E. Parkinson, Vullioud G., Richard P., A. Heimann, Keck H., Hauser HP, Keiser W., Rothenfluh M., "Enfoque Sistemático de Proyectos de Rehabilitación Pelton. Experiencia Práctica de Estudios de Casos ". Actas de la Conferencia HydroVision 2008, HCI Publicaciones, 2008.

los Autores

Thomas Staubli se graduó en Ingeniería Mecánica por la Instituto Federal Suizo de Tecnología (ETH) de Zúrich. Después de dos años de investigación post-doctoral en el campo de flujo vibración inducida en la Universidad de Lehigh, Pennsylvania, trabajó en mecánica de fluidos experimentales en Sulzer Hydro (ahora ANDRITZ Hydro) en Zürich. Luego se dirigió el Laboratorio de Hydro-maquinaria en la ETH de Zürich. Durante este período dirigió proyectos de investigación en el campo de la maquinaria hidráulica. Desde 1996 es profesor de Mecánica de Fluidos y Máquinas Hydro en la Hochschule Luzern.

André Abgottspon graduó en ingeniería mecánica de la Hochschule Luzern - Technik y Architektur. Desde 2006 es asistente de investigación en la Mecánica de Fluidos y Máquinas CC Hydro.

Pascal Weibel se graduó en ingeniería mecánica de la Hochschule Luzern - Technik y Architektur. Desde 2007 es asistente de investigación en la Mecánica de Fluidos y Máquinas CC Hydro.

Claude Bissel se graduó en Ingeniería de Fluidos en la escuela de Electricidad y Mecánica Ingeniería de Nancy (Francia) en 1991. Se unió a ANDRITZ Hydro (Suiza) en 2001 y ahora dirige el Reaserch y desarrollo hidráulico para turbinas Pelton dentro ANDRITZ Hydro.

Etienne Parkinson se graduó en Ingeniería de Fluidos en la Escuela de Ingeniería Hidráulica y Mecánica de Grenoble (Francia) en 1987. Después de un doctorado en la Ecole Centrale de Lyon (Francia), trabajó como asistente de investigación en maquinaria hidráulica en el Instituto Federal Suizo de Tecnología en Lausana (Suiza) hasta el año 1995 donde se unió a ANDRITZ Hydro. Actualmente es jefe del departamento de Vevey (Suiza) en I + D.

Julien Leduc se graduó en la escuela de ingeniería de la Ecole Centrale de Lyon (ECL) en 2007. Él está trabajando como estudiante de doctorado en los flujos de agua en las turbinas Pelton y supervisado conjuntamente por el Laboratorio de Méchanique des fluides et d'acoustique LMFA y ANDRITZ Hydro (Grenoble-Vevey).

Francis Leboeuf ha sido profesor en la Ecole Centrale de Lyon desde 1989. Actualmente es el jefe del equipo de Turbomaquinaria del Laboratorio de Mecánica de Fluidos y Acústica. En el pasado, ha sido el decano de la investigación de la Ecole Centrale de Lyon por 10 años. Sus principales campos de investigación son los flujos inestables e inestables en turbomáquinas, con aplicaciones a la aeronáutica, astronáutica y la energía, incluyendo la hidráulica y la ingeniería nuclear. Desde

octubre de 2006, ha sido nombrado por el Consejo de la Ecoles Centrale para coordinar las actividades de investigación entre los cinco Ecoles Centrale en Francia y China.