수력 발전은 수십 년 동안 주류 재생 에너지 기술이었습니다. 수력 발전이 에너지 공급 분야에서 중요한 원천 이었지만 에너지 수요는 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 반동 터빈의 일종인 프란시스수차은 널리 사용되는 터빈입니다. 수차용량은 세계에서 지속 가능한 에너지 공급을 한 유닛당 1000MW 까지 사용할 수 있게 개발되었으며 낙차는 700m 까지 가능할 수 있게 개발되었습니다. 증가된 수차 용량은 구조적 지지도 저하 및 구조적 ...
수력 발전은 수십 년 동안 주류 재생 에너지 기술이었습니다. 수력 발전이 에너지 공급 분야에서 중요한 원천 이었지만 에너지 수요는 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 반동 터빈의 일종인 프란시스수차은 널리 사용되는 터빈입니다. 수차용량은 세계에서 지속 가능한 에너지 공급을 한 유닛당 1000MW 까지 사용할 수 있게 개발되었으며 낙차는 700m 까지 가능할 수 있게 개발되었습니다. 증가된 수차 용량은 구조적 지지도 저하 및 구조적 고유 진동수 감소를 야기시켰습니다. 더욱이, 캐비테이션은 수차에 심각한 손상을 일으킬 수 있는 현상으로 인식되며 설계가 아닌 시점에서 작동 할 때 성능을 저하시킬 수 있습니다. 흡출관에서의 큰 압력 변동 및 심각한 캐비테이션 현상은 비정상적인 소용돌이 흐름과 관련이 있으며, 프란시스수차의 안정적인 작동에 불리합니다. 또한, 부분 유속에서의 심각한 압력 변동 및 캐비테이션을 갖는 비정상 유동은 수차 성능에 특히 바람직하지 않다. 수차 작동 안정성과 안전성에 더 많은주의와 신중한 고려가 필요합니다. 이 연구의 첫 번째는 한국에서 프란시스수차 러너의 개발에 기여할 수 있도록 프란시스수차 러너를 설계하려는 시도입니다. 내부 유동 특성과 성능을 비교하기 위해 CFD 분석에 의해 수행 된 전면 하중, 중간 하중 및 후면 하중의 3 가지 상이한 블레이드 하중이 있다. 최고의 효율은 전면 하중으로 다른 하중과 비교하여 프란시스수차 흡출관의 손실을 억제하는 데 가장 나았다. 블레이드 하중 해석에 따르면, 프란시스수차는 한국에 밀양 발전소에 1 차원 손실 분석 및 통로 흐름의 포트 면적 분포를 기반으로 상대적 성능이 우수하게 성공적으로 설계되었습니다. 수차 러너는 발전소에 설치되었고 현장 실험을 통해 CFD 결과와 비교되었습니다. 온 사이트 실험의 효율은 CFD 분석 결과와 거의 일치하며, 이는 프란시스수차의 합리적인 수차 러너 설계 방법 및 수치 적 방법을 검증합니다. 프란시스수차의 성능이 설계 유속 조건 하에서 비교적 양호하더라도, 부분 유량율이 바람직하지 않은 비정상 유동이 발생한다. 특히, 캐비테이션 와류 로프는 프란시스수차 흡출관에서 발견되었습니다. 캐비테이션 성능을 향상시키기 위해 J-Groove를 흡출관에 올려 놓은 기술은 효과적인 기술이며 프란시스수차 흡출관에 도입되었습니다. 피코 프란시스수차은 우리의 설계 방법에 의해 설계되었으며 실험은 수차의 성능과 CFD 분석을 비교하기 위해 수행되었습니다. J-Groove 설치 여부에 상관없이 프란시스수차 성능 및 내부 유동 특성을 실험 방법 및 수치 시뮬레이션을 통해 조사합니다. 압력 데이터는 압력 변동에 대한 J-Groove의 영향을 조사하기 위해 실험 및 CFD 분석을 통해 수차 흡출관 벽에서 측정되고 수집됩니다. 약 0.3 배의 러너 회전 주파수를 갖는 수차 흡출관의 압력 변동의 변동은 흡출관에서 주류 와류 로프 주파수에 의해 발생되는 약 71% 의 유속율로 발견되었다. 보다 잘 이해하기 위해, 압력 변동 빈도를 얻기 위해 고속 푸리에 변환 (FFT) 분석 방법이 수행된다. 와류 로프의 진폭을 완화하는 데있어 J-Groove의 효과는 중요하지만 흡출관 와류 로프 빈도는 민감하지 않습니다. CFD 분석 결과와 비교하기 위해 프란시스수차 흡출관에서 캐비테이션 로프를 캡처하여 시각화로 사용했습니다. CFD 분석에 의한 캐비테이션 와류 로프 형상은 실험 결과와 잘 일치한다. 흡출관의 캐비테이션 와류 밧줄은 뚜렷하며 긴 나선형 밧줄 모양으로 표현됩니다. 캐비테이션은 J-Groove 설치에 의해 효과적으로 억제됩니다. J-Groove 설치로 러너 콘 아래에 캐비테이션 와류 로프 모양의 작은 다발 기둥이 있습니다.
수력 발전은 수십 년 동안 주류 재생 에너지 기술이었습니다. 수력 발전이 에너지 공급 분야에서 중요한 원천 이었지만 에너지 수요는 기하급수적으로 증가하고 있습니다. 반동 터빈의 일종인 프란시스수차은 널리 사용되는 터빈입니다. 수차용량은 세계에서 지속 가능한 에너지 공급을 한 유닛당 1000MW 까지 사용할 수 있게 개발되었으며 낙차는 700m 까지 가능할 수 있게 개발되었습니다. 증가된 수차 용량은 구조적 지지도 저하 및 구조적 고유 진동수 감소를 야기시켰습니다. 더욱이, 캐비테이션은 수차에 심각한 손상을 일으킬 수 있는 현상으로 인식되며 설계가 아닌 시점에서 작동 할 때 성능을 저하시킬 수 있습니다. 흡출관에서의 큰 압력 변동 및 심각한 캐비테이션 현상은 비정상적인 소용돌이 흐름과 관련이 있으며, 프란시스수차의 안정적인 작동에 불리합니다. 또한, 부분 유속에서의 심각한 압력 변동 및 캐비테이션을 갖는 비정상 유동은 수차 성능에 특히 바람직하지 않다. 수차 작동 안정성과 안전성에 더 많은주의와 신중한 고려가 필요합니다. 이 연구의 첫 번째는 한국에서 프란시스수차 러너의 개발에 기여할 수 있도록 프란시스수차 러너를 설계하려는 시도입니다. 내부 유동 특성과 성능을 비교하기 위해 CFD 분석에 의해 수행 된 전면 하중, 중간 하중 및 후면 하중의 3 가지 상이한 블레이드 하중이 있다. 최고의 효율은 전면 하중으로 다른 하중과 비교하여 프란시스수차 흡출관의 손실을 억제하는 데 가장 나았다. 블레이드 하중 해석에 따르면, 프란시스수차는 한국에 밀양 발전소에 1 차원 손실 분석 및 통로 흐름의 포트 면적 분포를 기반으로 상대적 성능이 우수하게 성공적으로 설계되었습니다. 수차 러너는 발전소에 설치되었고 현장 실험을 통해 CFD 결과와 비교되었습니다. 온 사이트 실험의 효율은 CFD 분석 결과와 거의 일치하며, 이는 프란시스수차의 합리적인 수차 러너 설계 방법 및 수치 적 방법을 검증합니다. 프란시스수차의 성능이 설계 유속 조건 하에서 비교적 양호하더라도, 부분 유량율이 바람직하지 않은 비정상 유동이 발생한다. 특히, 캐비테이션 와류 로프는 프란시스수차 흡출관에서 발견되었습니다. 캐비테이션 성능을 향상시키기 위해 J-Groove를 흡출관에 올려 놓은 기술은 효과적인 기술이며 프란시스수차 흡출관에 도입되었습니다. 피코 프란시스수차은 우리의 설계 방법에 의해 설계되었으며 실험은 수차의 성능과 CFD 분석을 비교하기 위해 수행되었습니다. J-Groove 설치 여부에 상관없이 프란시스수차 성능 및 내부 유동 특성을 실험 방법 및 수치 시뮬레이션을 통해 조사합니다. 압력 데이터는 압력 변동에 대한 J-Groove의 영향을 조사하기 위해 실험 및 CFD 분석을 통해 수차 흡출관 벽에서 측정되고 수집됩니다. 약 0.3 배의 러너 회전 주파수를 갖는 수차 흡출관의 압력 변동의 변동은 흡출관에서 주류 와류 로프 주파수에 의해 발생되는 약 71% 의 유속율로 발견되었다. 보다 잘 이해하기 위해, 압력 변동 빈도를 얻기 위해 고속 푸리에 변환 (FFT) 분석 방법이 수행된다. 와류 로프의 진폭을 완화하는 데있어 J-Groove의 효과는 중요하지만 흡출관 와류 로프 빈도는 민감하지 않습니다. CFD 분석 결과와 비교하기 위해 프란시스수차 흡출관에서 캐비테이션 로프를 캡처하여 시각화로 사용했습니다. CFD 분석에 의한 캐비테이션 와류 로프 형상은 실험 결과와 잘 일치한다. 흡출관의 캐비테이션 와류 밧줄은 뚜렷하며 긴 나선형 밧줄 모양으로 표현됩니다. 캐비테이션은 J-Groove 설치에 의해 효과적으로 억제됩니다. J-Groove 설치로 러너 콘 아래에 캐비테이션 와류 로프 모양의 작은 다발 기둥이 있습니다.
Hydropower has been a mainstream renewable energy technology for decades. While hydropower has been a vital source in the energy supply scene, the energy demand as a whole is increasing exponentially. The Francis hydro turbine as a kind of reaction hydro turbine is widely used turbine, which capacit...
Hydropower has been a mainstream renewable energy technology for decades. While hydropower has been a vital source in the energy supply scene, the energy demand as a whole is increasing exponentially. The Francis hydro turbine as a kind of reaction hydro turbine is widely used turbine, which capacity is developed up to 1000MW per unit for the sustainable energy supply in the world and the head is developed up to 700m suited for the energy applications. Increased hydro turbine capacity leads to relatively weaker structural support and lower structural natural frequency. Moreover, cavitation is recognized as a phenomenon that can cause serious damage to a hydro turbine and can reduce its performance when operating at off-design point. The large pressure fluctuation and serious cavitation phenomena in the draft tube are associated with unsteady swirl flow and are detrimental to the stable operation of the Francis hydro turbine. Furthermore, the unsteady flow with serious pressure fluctuation and cavitation at the partial flow rate is particularly undesirable for the hydro turbine performance. The turbine operation stability and safety needs more attention and careful consideration. The first of this study is an attempt to design a Francis hydro turbine runner that will contribute to the development of Francis hydro turbine runner in Korea. There are three different blade loadings, i.e, front loading, middle loading and rear loading conducted by CFD analysis to compare the internal flow characteristics and performance. The best efficiency could be achieved by the front loading in comparison to other loadings, which is good at suppressing the loss in the Francis hydro turbine draft tube. According to the blade loading analysis, a Francis hydro turbine were designed successfully for Miryang power station in Korea with relative high performance based on the one-dimension loss analysis and port area distribution of the runner flow passage. The turbine runner was installed in the power station and conducted on site experiment to compare with CFD analysis result. The efficiency of the on site experiment is almost matched well with the CFD analysis result, which validates the turbine runner design method and numerical method for the Francis hydro turbine reasonable. Even though the performance of the Francis hydro turbine is relatively well under the design flow rate condition, a undesirable unsteady flow occurs under the partial flow rate. In particular, the cavitation vortex rope was found in the Francis hydro turbine draft tube. In order to improve the cavitation performance, a technology of J-Groove on the draft tube wall is an effective technology and is introduced on the Francis hydro turbine draft tube. A pico Francis hydro turbine was designed by our design method and the experiment was conducted to compare the performance of the turbine with CFD analysis. The Francis hydro turbine performance and the internal flow characteristic are investigated both with and without J-Groove installation by the experimental method and numerical simulation. The pressure data is measured and collected on the turbine draft tube wall by experiment and CFD analysis to investigate the effect of J-Groove on the pressure fluctuation. The fluctuation of pressure fluctuation in the turbine draft tube with around 0.3 times of runner rotation frequency was found with flow rate of around 71%, which is occurred by the main vortex rope frequency in the draft tube. To better understand, a fast Fourier transformation (FFT) analysis method is carried out to obtain pressure fluctuation frequency. The effect of the J-Groove on mitigating the amplitude of the vortex rope is significant while that on the frequency of the draft tube vortex rope is insensitive. Visualization was used to capture the cavitation rope in the Francis hydro turbine draft tube to compare with the CFD analysis result. The cavitation vortex rope shape by CFD analysis is matched well with the experimental result. The cavitation vortex rope in the draft tube is very distinct and represented by the long spiral rope shape. The cavitation is suppressed effectively by the J-Groove installation. There are only small bunches of the cavitation vortex rope clustered under the runner cone with the J-Groove installation.
Hydropower has been a mainstream renewable energy technology for decades. While hydropower has been a vital source in the energy supply scene, the energy demand as a whole is increasing exponentially. The Francis hydro turbine as a kind of reaction hydro turbine is widely used turbine, which capacity is developed up to 1000MW per unit for the sustainable energy supply in the world and the head is developed up to 700m suited for the energy applications. Increased hydro turbine capacity leads to relatively weaker structural support and lower structural natural frequency. Moreover, cavitation is recognized as a phenomenon that can cause serious damage to a hydro turbine and can reduce its performance when operating at off-design point. The large pressure fluctuation and serious cavitation phenomena in the draft tube are associated with unsteady swirl flow and are detrimental to the stable operation of the Francis hydro turbine. Furthermore, the unsteady flow with serious pressure fluctuation and cavitation at the partial flow rate is particularly undesirable for the hydro turbine performance. The turbine operation stability and safety needs more attention and careful consideration. The first of this study is an attempt to design a Francis hydro turbine runner that will contribute to the development of Francis hydro turbine runner in Korea. There are three different blade loadings, i.e, front loading, middle loading and rear loading conducted by CFD analysis to compare the internal flow characteristics and performance. The best efficiency could be achieved by the front loading in comparison to other loadings, which is good at suppressing the loss in the Francis hydro turbine draft tube. According to the blade loading analysis, a Francis hydro turbine were designed successfully for Miryang power station in Korea with relative high performance based on the one-dimension loss analysis and port area distribution of the runner flow passage. The turbine runner was installed in the power station and conducted on site experiment to compare with CFD analysis result. The efficiency of the on site experiment is almost matched well with the CFD analysis result, which validates the turbine runner design method and numerical method for the Francis hydro turbine reasonable. Even though the performance of the Francis hydro turbine is relatively well under the design flow rate condition, a undesirable unsteady flow occurs under the partial flow rate. In particular, the cavitation vortex rope was found in the Francis hydro turbine draft tube. In order to improve the cavitation performance, a technology of J-Groove on the draft tube wall is an effective technology and is introduced on the Francis hydro turbine draft tube. A pico Francis hydro turbine was designed by our design method and the experiment was conducted to compare the performance of the turbine with CFD analysis. The Francis hydro turbine performance and the internal flow characteristic are investigated both with and without J-Groove installation by the experimental method and numerical simulation. The pressure data is measured and collected on the turbine draft tube wall by experiment and CFD analysis to investigate the effect of J-Groove on the pressure fluctuation. The fluctuation of pressure fluctuation in the turbine draft tube with around 0.3 times of runner rotation frequency was found with flow rate of around 71%, which is occurred by the main vortex rope frequency in the draft tube. To better understand, a fast Fourier transformation (FFT) analysis method is carried out to obtain pressure fluctuation frequency. The effect of the J-Groove on mitigating the amplitude of the vortex rope is significant while that on the frequency of the draft tube vortex rope is insensitive. Visualization was used to capture the cavitation rope in the Francis hydro turbine draft tube to compare with the CFD analysis result. The cavitation vortex rope shape by CFD analysis is matched well with the experimental result. The cavitation vortex rope in the draft tube is very distinct and represented by the long spiral rope shape. The cavitation is suppressed effectively by the J-Groove installation. There are only small bunches of the cavitation vortex rope clustered under the runner cone with the J-Groove installation.
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