Il campo di moto all’interno di uno stadio a bassa pressione di una macchina reversibile pompa-turbina bistadio è stato analizzato in dettaglio nel funzionamento da pompa. E’ stato identificata una regione di instabilità funzionale centrata in un intervallo di portata comprese fra 0,45-,7 QDes, che limita il campo di funzionamento della turbomacchina sotto test. Le origini, lo sviluppo e la dinamica delle instabilità che si ingenerano all’interno di questo campo di esercizio sono state analizzate per cercare di identificare le cause della caduta di prevalenza e poter guidare successivamente la progettazione e l'ottimizzazione della pompa di prova. Approcci sperimentali e numerici sono state adottati per contribuire alla comprensione delle interazioni di flusso estremamente complessi all'interno della pompa di prova. Le analisi hanno evidenziato che l'instabilità della curva Q-H in questo intervallo di portate è principalmente conseguente all'instabilità campo di flusso nel diffusore. Separazioni marcate si verificano nel diffusore, conseguenza o amplificate dalla instabilità della girante o dei canale di ritorno. Nei canali di ritorno, sia a pieno carico che ai carichi parziali, è stato riscontrato una zona di ricircolo in prossimità del gomito e vicino alla superficie in depressione. Questo ricircolo causa un disturbo con frequenza St = 0,6625 nel diffusore. Nella zona di instabilità alla stessa frequenza è stato individuato uno stallo rotante con 5 celle nel diffusore sia dalle analisi sperimentali che dai risultati numerici. Al ridursi della portata, la posizione di questa instabilità nel canale di ritorno trasla verso la sezione di uscita del diffusore rendendo il campo di moto nel diffusore più instabile. Per queste portate sono state identificate due sorgenti di instabilità nella girante. La prima con la frequenza St = 0,6625 sul lato in depressione delle pale e il secondo nella zona di jet vicino alla sezione di uscita della girante con la frequenza St = 0,335. La zona di jet causa anche un disturbo periodico con una frequenza di St = 0,335 nel diffusore. I risultati sperimentali hanno evidenziato che questa instabilità genera una pulsazione di pressione con 2 cellule. In corrispondenza della zona di instabilità, l'intensità delle fluttuazioni a St = 0,335 e St = 0,6625 aumenta al diminuire della portata. Contemporaneamente ampie zone del traferro tra girante e diffusore risultano bloccate. Questo blocco causa un'amplificazione delle pulsazioni alla frequenza di passaggio delle pale BPF rilevato sia da risultati sperimentali che numerici. Allo stesso tempo, l'ulteriore sviluppo del blocco indebolito l'intensità delle due fluttuazioni di pressioni a frequenza di St = 0,335 e St = 0,6625. Tale sviluppo raggiunge l'apice per una portata di circa 0,6 QDes. A questa condizione, l'intensità dell'interazione rotore e statore aumentata e la perdita di energia aumentata causando la caduta di prevalenza all'uscita della girante. Inoltre, l'instabilità nel diffusore perde il suo carattere periodico con frequenza di St = 0,335.

Flow Patterns Causing Saddle Instability in the Performance Curve of a Centrifugal Pump with Vaned Diffuser

YANG, JUNRU
2015

Abstract

Il campo di moto all’interno di uno stadio a bassa pressione di una macchina reversibile pompa-turbina bistadio è stato analizzato in dettaglio nel funzionamento da pompa. E’ stato identificata una regione di instabilità funzionale centrata in un intervallo di portata comprese fra 0,45-,7 QDes, che limita il campo di funzionamento della turbomacchina sotto test. Le origini, lo sviluppo e la dinamica delle instabilità che si ingenerano all’interno di questo campo di esercizio sono state analizzate per cercare di identificare le cause della caduta di prevalenza e poter guidare successivamente la progettazione e l'ottimizzazione della pompa di prova. Approcci sperimentali e numerici sono state adottati per contribuire alla comprensione delle interazioni di flusso estremamente complessi all'interno della pompa di prova. Le analisi hanno evidenziato che l'instabilità della curva Q-H in questo intervallo di portate è principalmente conseguente all'instabilità campo di flusso nel diffusore. Separazioni marcate si verificano nel diffusore, conseguenza o amplificate dalla instabilità della girante o dei canale di ritorno. Nei canali di ritorno, sia a pieno carico che ai carichi parziali, è stato riscontrato una zona di ricircolo in prossimità del gomito e vicino alla superficie in depressione. Questo ricircolo causa un disturbo con frequenza St = 0,6625 nel diffusore. Nella zona di instabilità alla stessa frequenza è stato individuato uno stallo rotante con 5 celle nel diffusore sia dalle analisi sperimentali che dai risultati numerici. Al ridursi della portata, la posizione di questa instabilità nel canale di ritorno trasla verso la sezione di uscita del diffusore rendendo il campo di moto nel diffusore più instabile. Per queste portate sono state identificate due sorgenti di instabilità nella girante. La prima con la frequenza St = 0,6625 sul lato in depressione delle pale e il secondo nella zona di jet vicino alla sezione di uscita della girante con la frequenza St = 0,335. La zona di jet causa anche un disturbo periodico con una frequenza di St = 0,335 nel diffusore. I risultati sperimentali hanno evidenziato che questa instabilità genera una pulsazione di pressione con 2 cellule. In corrispondenza della zona di instabilità, l'intensità delle fluttuazioni a St = 0,335 e St = 0,6625 aumenta al diminuire della portata. Contemporaneamente ampie zone del traferro tra girante e diffusore risultano bloccate. Questo blocco causa un'amplificazione delle pulsazioni alla frequenza di passaggio delle pale BPF rilevato sia da risultati sperimentali che numerici. Allo stesso tempo, l'ulteriore sviluppo del blocco indebolito l'intensità delle due fluttuazioni di pressioni a frequenza di St = 0,335 e St = 0,6625. Tale sviluppo raggiunge l'apice per una portata di circa 0,6 QDes. A questa condizione, l'intensità dell'interazione rotore e statore aumentata e la perdita di energia aumentata causando la caduta di prevalenza all'uscita della girante. Inoltre, l'instabilità nel diffusore perde il suo carattere periodico con frequenza di St = 0,335.
28-feb-2015
Inglese
Centrifugal pump with vaned diffuser, saddle instability, unforced unsteadiness, numerical simulation, experiment
PAVESI, GIORGIO
COLOMBO, PAOLO
Università degli studi di Padova
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Il codice NBN di questa tesi è URN:NBN:IT:UNIPD-96571