Αριθμητική επιβεβαίωση συσχετίσεων για τον υπολογισμό της υπερτάχυνσης, υπερπίεσης και υποπίεσης κατά την απόρριψη φορτίου υδροστρόβιλου Francis

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται των προσδιορισμό των ακραίων συνθηκών που μπορούν να συμβούν κατά την μεταβατική λειτουργία ενός υδροστροβίλου Francis. Συγκεκριμένα, δίνεται έμφαση στην μελέτη της ακραίας περίπτωση κατά την οποία συμβαίνει ακαριαία απόρριψη φορτίου ενώ πριν υπήρχε λειτουργία σε ονομαστικές συνθήκες. Σε μία τέτοια περίπτωση, δύο είναι τα κύρια φαινόμενα τα οποία συμβαίνουν μέσα στην διάταξη του υδροστροβίλου και της σωλήνωσης. Το ένα είναι η ανάπτυξη υδραυλικού πλήγματος, δηλαδή η έντονη αυξομείωση της στατική πίεσης κατά την μείωση της παροχής νερού, όπως προβλέπεται από την θεωρία και την σχέση Bernoulli για ασυμπίεστα ρευστά. Η ένταση αυτού του φαινομένου στην προκαταρκτική μελέτη ενός υδροηλεκτρικού έργου είναι αρκετά σημαντική, αφού καθορίζει τα κύρια χαρακτηριστικά του αγωγού, όπως το υλικό, το πάχος τοιχωμάτων κ.α., προκειμένου να μην υπάρξει αστοχία υλικού. Το δεύτερο φαινόμενο που λαμβάνει χώρα κατά την μεταβατική λειτουργία είναι η επιτάχυνση των στρεφόμενων μαζών της διάταξης, εξαιτίας της αποσύνδεσης του υδροστροβίλου από το φορτίο. Η διαθέσιμη υδραυλική πτώση, εφόσον δεν απορροφάται από κάποιο εξωτερικό παράγοντα, επιταχύνει τον δρομέα του στροβίλου μέχρι την λεγόμενη ταχύτητα φυγής. Σε περίπτωση που η υπερτάχυνση είναι ανεξέλεγκτη, μπορεί να προκαλέσει σημαντικά προβλήματα στην λειτουργία των εδράνων και του άξονα της μηχανής. Η ένταση των δύο αυτών φαινόμενων είναι που καθορίζει τις προστατευτικές, δαπανηρές κατασκευές που πιθανόν θα χρειαστούν να γίνουν για την προστασία του έργου (πύργος ανάπαλσης, αεροφυλάκιο κτλ.) επηρεάζοντας άμεσα την βιωσιμότητα του έργου. Όπως αποδεικνύεται τα εν λόγω φαινόμενα δεν είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους. Το ένα επηρεάζει το άλλο και για αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η ταυτόχρονη μελέτη τους. Αυτό έχουν κάνει αρκετοί επιστήμονες των οποίων τα αποτελέσματα παρουσιάζονται και συγκρίνονται στην παρούσα εργασία. Προκειμένου να συγκριθούν λαμβάνεται υπόψη μία απλοποιημένη διάταξη υδροηλεκτρικού έργου, με έναν αγωγό βαρύτητας και έναν υδροστρόβιλο ο οποίος εκμεταλλεύεται την διαθέσιμη ενέργεια του ρευστού. Τα αριθμητικά αποτελέσματα που προκύπτουν συγκρίνονται με τις σχέσεις και τα διαγράμματα που έχουν προτείνει προηγούμενες μελέτες, έτσι ώστε να προκύψουν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την αξιοπιστία των συσχετισμών που αναπτύσσονται στο αρχικό στάδιο μελέτης.

This thesis deals with the determination of the extreme conditions that can occur during the transition function of a Francis turbine. Specifically, it emphasizes on the study of extreme event where instantaneously load shedding happens,while the turbine was operating at nominal conditions. In such cases, there are two main phenomena that occur within the turbine layout and piping. First is the development of water hammer, ie the strong variation of the static pressure during the reduction of water supply, as required by the theory and the Bernoulli equation for uncompressed fluids. The intensity of this phenomenon in a preliminary study of a hydroelectric project is quite important, since it determines the main characteristics of the pipeline, such as material, wall thickness, etc., in order to avoid a hardware failure. The second phenomenon that takes place during the transition function is the acceleration of the rotating masses of the device, due to the disconnection of the turbine load. The available hydraulic energy, if not absorbed by some external factor, is used to accelerate the rotor of the turbine to the so-called run-away speed. If the overspeed is uncontrolled, it can cause significant problems in the operation of the bearings and the shaft of the machine. The intensity of these two phenomena determines the protective, costly constructions which will likely be needed to protect the project (surge tower, air vessel, etc.), directly affecting the viability of the project. As it turns out these phenomena are not independent of each other. The one affects the other and for this reason it is necessary to simultaneously study them. Many scientists have done so and their results are presented and compared in this paper. In order to compare them, a simplified layout hydroelectric project is considered, with a gravity pipeline and a Francis water turbine which exploits the available energy of the fluid. The numerical results obtained are compared with relationships and diagrams which are suggested by these earlier studies to derive useful conclusions about the reliability of the correlations developed in the preliminary design stage.