Real-Time Detection of Cavitation for Hydraulic Turbomachines

Baldassarre, Antonio; Lucia, Maurizio De; Nesi, Paolo

doi:10.1006/rtim.1997.0100

Cited by 22 publications

(7 citation statements)

References 5 publications

(3 reference statements)

Supporting

Mentioning

Contrasting

Order By: Relevance

“…Investigation on the cavitation in pumps has been paid much attention [1][2][3][4]. However, there are much fewer studies on the cavitation inside the hydroturbine runner, which actually calls for deeper researches on this problem.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Experimental Investigation on the Characteristics of Hydrodynamic Stabilities in Francis Hydroturbine Models

et al. 2014

Advances in Mechanical Engineering

View full text Add to dashboard Cite

This paper presents an experimental investigation of flow phenomena related to the characteristic frequencies of pressure fluctuation in Francis hydroturbine models. The experiments were carried out on two test rigs with two model runners having hydraulic similarities. Flow field around the guide vanes was measured with a particle image velocimetry (PIV) on the first PIV test rig. Flow structures at the inlet region of runner and in draft tube at different operating conditions were visualized on another hydrodynamic test rig. Analyses of dominant frequency of unsteady hydraulic behaviors in the tested hydroturbines were performed. It was observed that the main frequency of flow over the guide vanes and the dominant frequency of channel vortex equal the blade passing frequency; the dominant frequency of flow separation at the suction side of blade inlet equals the vane passing frequency; the vortex rope in the draft tube displays a low-frequency nature. The flow instabilities and fluctuations directly influence the running of hydroturbine, thus these experimental results could provide important evidence for the stability study of a real hydroturbine.

show abstract

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Experimental Investigation on the Characteristics of Hydrodynamic Stabilities in Francis Hydroturbine Models

et al. 2014

Advances in Mechanical Engineering

View full text Add to dashboard Cite

show abstract

“…In this sense, although cavitation within pumps has been the subject of extensive research up to now, as demonstrated by the works from Coutier-Delgosha et al [1], Cudina [2], Baldassarre et al [3], McNulty and Pearsall [4] and others, it must be noted that few studies have been published related to cavitation within hydropower turbines. Because of that, the current paper is mainly focused in detection of cavitation in hydro turbines.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Detection of cavitation in hydraulic turbines

Escaler

Egusquiza

Farhat

et al. 2006

Mechanical Systems and Signal Processing

328

146

View full text Add to dashboard Cite

An experimental investigation has been carried out in order to evaluate the detection of cavitation in actual hydraulic turbines. The methodology is based on the analysis of structural vibrations, acoustic emissions and hydrodynamic pressures measured in the machine. The proposed techniques have been checked in real prototypes suffering from different types of cavitation. In particular, one Kaplan, two Francis and one Pump-Turbine have been investigated in the field. Additionally, one Francis located in a laboratory has also been tested.First, a brief description of the general features of cavitation phenomenon is given as well as of the main types of cavitation occurring in hydraulic turbines. The work presented here is focused on the most important ones which are the leading edge cavitation due to its erosive power, the bubble cavitation because it affects the machine performance and the draft tube swirl that limits the operation stability.Cavitation detection is based on the previous understanding of the cavity dynamics and its location inside the machine. This knowledge has been gained from flow visualisations and measurements in laboratory devices such as a high-speed cavitation tunnel and a reduced scale turbine test rig. The main techniques are the study of the high frequency spectral content of the signals and of their amplitude demodulation for a given frequency band. Moreover, low frequency spectral content can also be used in certain cases. The results obtained for the various types of cavitation found in the selected machines are presented and discussed in detail in the paper. Conclusions are drawn about the best sensor, measuring location, signal processing and analysis for each type of cavitation, which serve to validate and to improve the detection techniques. r

show abstract

“…3.16). At such operating conditions the flow becomes very unsteable and exhibits intensive recirculation and separation regions, a behavior also observed by other researchers (Baldassarre, 1998;Nelik, 1999;Hofmann, 2001;Friedrichs, 2002;Coutier-Delgosha, 2003b).…”

Section: Visual Observationssupporting

confidence: 77%

Development of cavitation detection methodology for hydraulic turbomachines using experimental and numerical tools

Μουσμούλης¹

View full text Add to dashboard Cite

Από τις πιο συχνά απαντώμενες μηχανές στις διάφορες βιομηχανικές εγκαταστάσεις και τεχνικά έργα είναι οι φυγοκεντρικές αντλίες, ενώ οι υδροστρόβιλοι λειτουργούν σε ένα μεγάλο αριθμό υδροηλεκτρικών έργων, σε όλο τον κόσμο, παράγοντας σημαντικό μέρος της καταναλώμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Συνεπώς, η ομαλή και αποτελεσματική επιτέλεση μιας πληθώρας τεχνικών λειτουργιών, βιομηχανικών διεργασιών και παραγωγικών δραστηριοτήτων βασίζεται στην αξιόπιστη και αποτελεσματική λειτουργία αυτών των υδροδυναμικών μηχανών. Ένας από τους ροϊκούς μηχανισμούς που μπορεί να διαταράξει τη λειτουργία αυτών των μηχανών, είναι η σπηλαίωση, δηλαδή η τοπική εξάτμιση του υγρού (συνήθως νερού), η οποία δημιουργείται όταν η πίεση σε κάποια σημεία εντός του ρότορα μειωθεί σε τιμές κάτω από την πίεση ατμοποίησης στη θερμοκρασία λειτουργίας. Η επανυγροποίηση των φυσαλίδων ατμού σε περιοχές όπου η στατική πίεση επανέρχεται σε υψηλότερες τιμές, γίνεται μέσω της ενδόρρηξης τους, μια απότομη μεταβολή φάσης, η οποία ακολουθείται από την ανάπτυξη τοπικών κρουστικών κυμάτων πίεσης, προκαλώντας διάβρωση των στερεών εσωτερικών επιφανειών της μηχανής. Λειτουργία μιας υδροδυναμικής μηχανής υπό συνθήκες σπηλαίωσης, ακόμη και σε σύντομο διάστημα, μπορεί να προκαλέσει εκτεταμένες φθορές που συνοδεύονται από αύξηση των μηχανικών ταλαντώσεων και πτώση του βαθμού απόδοσης. Η παρούσα Διατριβή, ασχολείται με την ανάλυση των χαρακτηριστικών της ροής σε φυγοκεντρικές αντλίες, στις οποίες αναπτύσσεται το φαινόμενο της σπηλαίωσης, και έχει ως στόχο την ανάπτυξη εργαλείων που να μπορούν να διαγνώνουν έγκαιρα τον σχηματισμό φυσαλίδων ατμού. Το πρόβλημα προσεγγίζεται τόσο πειραματικά όσο και υπολογιστικά. Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται δύο εργαστηριακές διατάξεις, οι οποίες επιτρέπουν την οπτική παρατήρηση του φαινομένου εντός των εξεταζόμενων μηχανών: μια διάταξη εγκατεστημένη στο Τμήμα Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Λάνκαστερ (LU - Ην. Βασ.) και μία στο Εργαστήριο Υδροδυναμικών Μηχανών του ΕΜΠ. Η αντλία που βρίσκεται εγκατεστημένη στο LU έχει το κέλυφος της κατασκευασμένο από διαφανές υλικό, ενώ στη συγκεκριμένη διάταξη χρησιμοποιούνται τρεις πτερωτές ακτινικής ροής ημι-ανοικτού τύπου (χωρίς στεφάνη), με οπισθοκλινή, με ακτινικά και με εμπροσθοκλινή πτερύγια. Από την άλλη, η πειραματική διάταξη του ΕΜΠ περιλαμβάνει μια τυπική βιομηχανική φυγοκεντρική αντλία, με κλειστού τύπου πτερωτή, με οπισθοκλινή πτερύγια. Στην αντλία του ΕΜΠ έγιναν σημαντικές τροποποιήσεις, ώστε να επιτραπεί η διενέργεια οπτικών παρατηρήσεων εντός της πτερωτής, που περιλαμβάνουν ανακατασκευή της πτερωτής με στεφάνη κατασκευασμένη από διαφανές υλικό, και διάνοιξη διαφανούς παραθύρου στην εμπρόσθια πλευρά του κελύφους. Οι πειραματικές μετρήσεις περιλαμβάνουν τις χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας των τεσσάρων πτερωτών, οι οποίες συνοδεύονται από μέτρησεις θορύβου και μηχανικών ταλαντώσεων, καθώς επίσης και από οπτικές παρατηρήσεις εντός της ροής. Σε κάθε διάταξη, χρησιμοποιούνται δύο επιταχυνσιόμετρα και ένας αισθητήρας ακουστικών σημάτων (acoustic emission), ενώ οι χρονοσειρές που λαμβάνονται αναλύονται και μελετώνται με στόχο την αναγνώριση των χαρακτηριστικών του φαινομένου και την ανάπτυξη ενός γενικού κριτηρίου διάγνωσης της σπηλαίωσης. Πιο συγκεκριμένα, τα σήματα επεξεργάζονται στα πεδία χρόνου και συχνοτήτων με χρήση εργαλείων στατιστικής, μέσης τετραγωνικής τιμής (RMS) και φασματικής πυκνότητας ισχύος (PSD). Επιπλέον, δοκιμάζεται η εφαρμογή της μεθόδου Φασματικής Κύρτωσης (SK) για την κατασκευή ζωνοπερατών φίλτρων, τα οποία διαχωρίζουν τα χαρακτηριστικά της σπηλαίωσης από το μετρούμενο σήμα. Παράλληλα με τις πειραματικές μετρήσεις, μοντελοποιείται η ροή εντός της μηχανής σε συνθήκες με και χωρίς σπηλαίωση, με χρήση εμπορικού λογισμικού υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Η υπολογιστική προσέγγιση περιλαμβάνει την επίλυση των εξισώσεων Reynolds Averaged Navier Stokes Equations (RANS), μαζί με μια πρόσθετη εξίσωση μεταφοράς, για τον υπολογισμό του ρυθμού μεταφοράς μάζας μεταξύ της υγρής φάσης και του ατμού. Το μοντέλο k-ω SST επιλέγεται για την μοντελοποίηση της τύρβης, ενώ για τις περιοχές του υπολογιστικού χωρίου που ανήκουν στην περιστρεφόμενη πτερωτή επιλέγεται η επίλυση των εξισώσεων της ροής στο στρεφόμενο σύστημα αναφοράς. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες λειτουργίας των αντλιών κατασκευάζονται για όλες τις πτερωτές των δύο διατάξεων και η συμπεριφορά τους προέκυψε απόλυτα συμβατή με τη θεωρητική φυγοκεντρικών αντλιών παρόμοιου ειδικού αριθμού στροφών. Για τις μετρήσεις σε συνθήκες σπηλαίωσης, η ρύθμιση της πίεσης στην είσοδο της αντλίας επιτυγχάνεται μέσω στραγγαλισμού της βάνας αναρρόφησης. Καθώς μειώνεται η πίεση, αρχίζει να εξελίσσεται το φαινόμενο της σπηλαίωσης στην πτερωτή, με την εμφάνιση φυσαλίδων ατμού και την προοδευτική αύξηση της περιοχής διφασικής ροής. Η τιμή του ολικού ύψους της αντλίας παραμένει σταθερή, μέχρι το σημείο όπου η περιοχή του ατμού αρχίζει να καλύπτει σχεδόν όλο το εύρος της ροής μεταξύ των πτερυγίων, μειώνοντας τη δυνατότητα πρόσδοσης ισχύος στο εργαζόμενο μέσο και προκαλώντας απότομη πτώση του ολικού ύψους. Τα αποτελέσματα των οπτικών παρατηρήσεων εντός των πτερωτών του LU, απεικονίζουν την εμφάνιση των πρώτων φυσαλίδων ατμού και τη σταδιακή ανάπτυξη τους, όσο τα επίπεδα στατικής πίεσης εντός της διάταξης μειώνονται. Επιπλέον, οι φωτογραφίες των οπτικών παρατηρήσεων, αναδεικνύουν τη συνύπαρξη διαφόρων ειδών σπηλαίωσης εντός της πτερωτής, όπως ‘travelling bubble’, ‘cloud’, ‘tip clearance’, και ‘attached’ σπηλαίωσης. Τα αποτελέσματα των οπτικών παρατηρήσεων και οι πειραματικές μετρήσεις πιστοποιούν τη δυνατότητα του αριθμητικού μοντέλου να προβλέψει την πτώση του ολικού ύψους της αντλίας. Το μοντέλο δυσκολεύεται να αναγνωρίσει την εμφάνιση των πρώτων φυσαλίδων ατμού, καθώς στα πρώτα στάδια ανάπτυξης το φαινόμενο παρουσιάζει ιδιαίτερα ασταθή συμπεριφορά. Ωστόσο, η ικανότητα του μοντέλου να προβλέψει τη θέση, την έκταση και το σχήμα της ατμοποιημένης περιοχής βελτιώνεται αισθητά στα ενδιάμεσα στάδια ανάπτυξης του φαινομένου και πριν την πτώση του υδραυλικού ύψους. Επομένως, η προτεινόμενη υπολογιστική μεθοδολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάγνωση του φαινομένου, αλλά προϋποθέτει την ακριβή γνώση όλων των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της μηχανής και της εγκατάστασης, καθώς και τα δεδομένα λειτουργίας της. Επιπρόσθετα, στην περίπτωση της πτερωτής ημι-ανοικτού τύπου, τα αριθμητικά αποτελέσματα φανερώνουν τα περίπλοκα χαρακτηριστικά της ροής στο διάκενο μεταξύ του πτερυγίου και του κελύφους, απεικονίζοντας μια κυκλοφορία της ροής μέσω του διακένου προς την πλευρά υποπίεσης του πτερυγίου (‘backflow’). Όταν η μηχανή λειτουργεί σε συνθήκες πρόκλησης σπηλαίωσης, η κυκλοφορία αυτή μεταφέρει και φυσαλίδες ατμού που δημιουργούνται στο στενό διάκενο (‘backflow tip cavitation’). Οι μετρήσεις θορύβου και κραδασμών λαμβάνονται από τα επιταχυνσιόμετρα και τον ακουστικό αισθητήρα, όργανα που τοποθετούνται στο σώμα (κέλυφος) των δύο φυγοκεντρικών αντλιών. Οι πρωτογενείς μετρήσεις σε συνθήκες πτώσης του ολικού ύψους λόγω σπηλαίωσης αναδεικνύουν την ύπαρξη κρουστικών σημάτων, που σχετίζονται με την ενδόρρηξη των φυσαλίδων ατμού. Η στατιστική ανάλυση των δεδομένων επιτυγχάνει να συσχετίσει τις προαναφερθείσες διαφοροποιήσεις με το μέγεθος της κύρτωσης του σήματος (τέταρτη ροπή), η τιμή της οποίας αποκλίνει σημαντικά από την κανονική κατανομή. Η μελέτη του πεδίου συχνοτήτων των δυναμικών μετρήσεων απεικονίζει τη διέγερση μεγάλου εύρους συχνοτήτων. Επομένως, προκρίνεται η χρήση ‘RMS’ και ‘powerband’ εργαλείων, με στόχο την ποσοτικοποίηση της έντασης των διεγέρσεων και την αποτύπωσή τους σε σχέση με τις συνθήκες αναρρόφησης. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την επιτυχή χρήση των παραπάνω εργαλείων για την έγκαιρη διάγνωση της σπηλαίωσης, στην πλειονότητα των υπό εξέταση συνθηκών λειτουργίας. Ωστόσο, η δυσκολία τους να αναγνωρίσουν το φαινόμενο σε μερικές παροχές της κλειστού τύπου πτερωτής, σε συνδυασμό με τον κίνδυνο να εκληφθεί ένας άλλος τύπος σφάλματος (π.χ. σε έδρανα κύλισης, που προκαλεί επίσης κρουστικά σήματα) ως σπηλαίωση, καθιστούν αναγκαία την περαιτέρω ανάλυση των σημάτων. Γι’ αυτόν τον λόγο, εφαρμόστηκε η μέθοδος Φασματικής Κύρτωσης με στόχο την κατασκευή ζωνοπερατών φίλτρων (bandpass filters), τα οποία δύνανται να απομονώσουν τα χαρακτηριστικά του φαινομένου από το συνολικό μετρούμενο σήμα. Επιπλέον, οι φιλτραρισμένες χρονοσειρές αποδιαμορφώνονται με χρήση του μετασχηματισμού Hilbert, με στόχο την επιβεβαίωση της ύπαρξης πιθανής περιοδικότητας στα χαρακτηριστικά των φιλτραρισμένων σημάτων. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας, η οποία επιτυγχάνει να απομονώσει τους κρουστικούς παλμούς στις φιλτραρισμένες χρονοσειρές, και οι οποίοι διαμορφώνονται από την αλληλεπίδραση της στρεφόμενης πτερωτής με το σταθερό κέλυφος της αντλίας. Η προτεινόμενη προσέγγιση αναδεικνύει τη συσχέτιση μεταξύ της κρουστικής συμπεριφοράς του επεξεργασμένου σήματος και του μηχανισμού ενδόρρηξης των φυσαλίδων ατμού, καθώς και μεταξύ της διαμόρφωσης από τη συχνότητα περάσματος των πτερυγίων, καθώς το φαινόμενο λαμβάνει χώρα εντός της στρεφόμενης πτερωτής. Το τελευταίο συμπέρασμα συνδέει τα χαρακτηριστικά που χρησιμοποιούνται για τη διάγνωση του φαινομένου με το φυσικό μηχανισμό της βλάβης και διαμορφώνει ένα γενικό και αξιόπιστο εργαλείο διάγνωσης της ανάπτυξης σπηλαίωσης εντός των υδροδυναμικών μηχανών.

show abstract

Real-Time Detection of Cavitation for Hydraulic Turbomachines

Cited by 22 publications

References 5 publications

Experimental Investigation on the Characteristics of Hydrodynamic Stabilities in Francis Hydroturbine Models

Experimental Investigation on the Characteristics of Hydrodynamic Stabilities in Francis Hydroturbine Models

Detection of cavitation in hydraulic turbines

Development of cavitation detection methodology for hydraulic turbomachines using experimental and numerical tools

Contact Info

Product

Resources

About