Numerical investigation of part-load flows in a pump-turbine affected by system rotation

Abstract

Speziell in Pumpbetrieb treten bei Pumpturbinen komplexe Strömungen im gesamten Strömungsgebiet auf, welche auch noch heutzutage eine große Herausforderung an die numerische Strömungsmechanik darstellen. Das Auftreten von speziellen Strömungsformen während des Pumpbetriebs in tiefer Teillast ist hinlänglich bekannt. Strömungsphänomene wie etwa Vorrotation der Strömung im Bereich des Laufradeintritts sind dabei oft Ursache für eine ungleichmäßige Schaufelanströmung im Laufrad. Ferner treten oszillierende Strömungen in Form von umlaufenden Strömungsinstabilitäten ('rotating stall') im Bereich der Leitschaufeln auf. Derartige Effekte haben starke Wirkungsgradeinbußen der Maschine und ungünstige Betriebsverhalten zur Folge, welche vermehrt in 'off-design'-Betriebspunkten auftreten. Fluktuierende Strömungen können in weiterer Folge Vibrationen in der mechanischen Maschinenstruktur hervorrufen und zu unerwünschten Erscheinungen während des Betriebs führen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Simulation rotierender Strömungen unter Berücksichtigung von Systemrotation und Stromlinienkrümmung in RANS Formulierungen. Für die Strömungssimulationen und jeweiligen Modellimplementierungen wird ein frei verfügbares CFD Softwarepaket verwendet. Da Systemrotation und starke Stromlinienkrümmung das Strömungsverhalten in rotierenden Bauteilen erheblich beeinflussen kann, wird der Einfluss von Systemrotation im Detail untersucht. Sowohl existierende Ansätze als auch Weiterentwicklungen zur Sensitivierung von RANS Modellen hinsichtlich Systemrotation werden in die Simulationssoftware implementiert und anhand generischer Strömungsprobleme validiert. Die richtige Wiedergabe der Grenzschichtströmung in durchströmten Komponenten einer Pumpturbine in Pumpbetrieb ist von großer Bedeutung, da gerade hier stark verzögerte Strömungen auftreten. Durch Erweiterungen und Modifikationen werden verfügbare Wandbehandlungsmöglichkeiten des CFD Softwarepakets umfassend getestet und evaluiert. Die richtige Wahl der Wandfunktion kann bei gewissen Strömungsformen entscheidend sein, wie etwa bei der Abschätzung von Strömungsablösungen. Für die transienten ein- und zweiphasigen Strömungssimulationen wird primär das weitverbreitete Zweigleichungsmodell SST k-- mit den jeweiligen Korrekturmethoden verwendet. Um über die Anwendbarkeit des eingesetzten Simulationssoftwarepakets im Bereich der Simulation von Strömungsmaschinen eine Aussage treffen zu können, werden die Implemen- tierungen bei Betrachtung transienter ein- und zweiphasiger Strömungen an einem kompletten Pumpturbinenmodell evaluiert. Den praktischen Anwendungsfall bilden inkompressible transiente Strömungssimulationen und numerische Untersuchungen zweiphasiger Teillastströmungen unter Verwendung der VOF-Methode.

Especially when operating in pump-mode, complex part-load flows in pump-turbines are still a challenging task since crucial flow regimes become apparent in the entire flow domain. In deep part load, the occurrence of flow instabilities is evident. Flow phenomena like prerotating and recirculating flow at the runner inlet are mainly responsible for an improper blade load. Moreover, periodically appearing flow instabilities near the guide vanes, also known as 'rotating stall', are apparent. Such flow mechanisms, mostly appearing during 'off-design'-conditions, result in a strong decrease of the efficiency and an improper operational behavior of the machine. As a consequence, oscillating flows can cause machine vibrations and mechanical loads acting on the machine structure. This thesis deals with transient numerical investigations of rotating flows focusing on the influence of system rotation and curvature correction in RANS frameworks. Simulations and implementation work of modeling approaches are carried out using an open source CFD software package. Since flow in rotating channels can radically change the flow behavior due to rotation and streamline curvature, detailed studies about the influence of system rotation are carried out. Existing modeling approaches and further developments of linear eddy- viscosity RANS models considering rotation effects are implemented into the CFD software package and validated by means of generic flow problems. Correctly resolving boundary layer flow in a pump-turbine operating in pump mode is of great importance since strongly decelerated flow is to be expected. Thus, possibilities of wall treatment provided by the CFD software package are assessed by additional implementations and extensive testings. The right choice of such wall treatment methods can be decisive when resolving essential flow behavior, i.e. the correct prediction of flow separation. The common two-equation turbulence model SST k-- is primarily employed for sensitizing methods used for transient incompressible single- and two-phase flow simulation. With the aim of examining the feasibility of the used CFD software package, the implemented methods are applied to a fully resolved pump-turbine model. The practical simulation study is comprised of an incompressible single-phase flow on the one hand and on the other hand cavitating flow using a VOF approach. Detailed single-phase simulations are performed considering prerotating flow in the draft tube as well vortex shedding in the stay vane channel. Transient pressure fluctuations in the conical part of the diffuser are compared with experiments and interpreted by means of specific flow patterns. As non-uniform flow is assumed in the stay vane channels, an overall evaluation of the channel flow is carried out. Simulation results of the flow velocity are directly compared with test rig experiments making the interpretation of the results more reliable.