An experimental study of the flow in a sharp-heel Kaplan draft tube

This research project was originally part of a package (Turbine-99 Draft Tube) that had a mutual goal, to improve the understanding of draft tube flow and establish Best Practise Guidelines for simulation of draft tube flow.The draft tube is situated after the runner in a Hydropower turbine to recover as much of the remaining head and kinetic energy as possible before the water leaves the turbine. The case is fully turbulent, and because of the adverse pressure gradient with risk for separation, periodic inlet conditions from the runner with different degrees of swirl causes the draft tube flow to be difficult to predict. Therefore, unambiguous design criterions are lacking, and the slightly contradicting recommendations indicate that the standard rules give conservative, rather than optimal, designs. This thesis gives some background on draft-tube flows in general and discusses the parameters and flow conditions relevant to the Turbine-99 draft tube in some detail. The main goal of the thesis is to provide extensive experimental data on a well-defined sharp-heel draft-tube flow. The data bank has served as validation data for the simulation challenge presented by the Turbine-99 workshops in Porjus (June 1999), Älvkarleby (June 2001) and Porjus (December 2005).The experimental data and some numerical results are also available as an application challenge in the Qnet database (managed by Ercoftac), as a validation case for flow simulations.The experimental data consists of visualisations, pressure measurements and velocity measurements. These methods give a good qualitative picture of the flow pattern in the draft tube with quantitative data at selected cross section that can be used to validate the flow simulations. The first two workshops focused on mean quantities of pressure and velocities; however, phase resolved measurements have been added to add value to the experimental data.In addition to the experimental validation case, there is one paper that deals with loads on the draft tube, which affect the construction lifetime. Since the hydropower stations are expected to have a long total technical lifetime with a number of refurbishments, these questions will grow in importance over the next decades.Huvudmålet för den här avhandlingen är att presentera omfattande experimentella data för ett klacksugrör. Forskningsprojektet var ursprungligen del av ett paket (Turbine-99 Draft Tube) som hade som gemensamt mål att öka förståelsen och ta fram riktlinjer (Best Practise) för simuleringar av strömningen genom ett sugrör. Databanken har legat till grund som valideringsdata för de fall som utvärderats vid Turbine-99 workshoparna i Porjus (juni 1999), Älvkarleby (juni 2001) och Porjus (december 2005). Sugröret är placerat direkt efter löphjulet i en vattenkraftsturbin i syfte att återvinna så mycket som möjligt av den återstående fallhöjden samt rörelseenergin innan vattnet lämnar turbinen. Strömningen är helt turbulent och på grund av den motriktade tryckgradienten med risk för separation och periodiska inloppsförhållanden från löphjulet, med varierande mängder av rotation, blir strömningen i sugröret svårbestämd. Det medför att otvetydiga designkriterier saknas och att de i vissa fall motsägelsefulla rekommendationerna indikerar att rekommendationerna ger konservativa snarare än optimala lösningar. Denna avhandling ger en kort bakgrund till strömningen i sugrör och diskuterar de parametrar som är relevanta för Turbine-99 sugröret mer i detalj.Databanken och ett urval av resultaten från simuleringarna är också tillgängliga som en Application Challange i Qnets databas (som förvaltas av Ercoftac) för validering av flödessimuleringar.Databanken består av visualiseringar samt tryck- och hastighetsmätningar. Dessa metoder ger en kvalitativ bild av hur strömningen i sugröret ser ut tillsammans med kvantitativa data vid utvalda tvärsnitt som kan användas för validering av strömningsberäkningar. De två första workshoparna fokuserade på medelvärden av tryck och hastigheter, men fasupplösta mätresultat har lagts till för att öka värdet på data banken.I tillägg till det experimentella valideringsfallet ingår en artikel som handlar om laster på ett sugrör, som i sin tur påverkar livslängden på aggregatet. Eftersom en vattenturbin förväntas ha en lång teknisk livslängd med ett antal större renoveringar eller uppgraderingar, förväntas dessa frågor växa i betydelse under de kommande decennierna.<p>Godkänd; 2009; 20090610 (ysko); DISPUTATION Ämnesområde: Strömningslära/Fluid Mechanics Opponent: Professor Torbjørn K Nilsen, NTNU, Vattenkraftlaboratoriet, Trondheim, Norge Ordförande: Professor Staffan Lundström, Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 4 september 2009, kl 09.00 Plats: E 231, Luleå tekniska universitet