NUMERICAL SIMULATION OF EROSION WEAR OF THE FRANCIS TURBINE RUNNER BLADES

Abstract

Francis turbines are a common solution for high head hydraulic power plants using mountain rivers energy. Due to a high concentration of sediments in such rivers, a lifetime of hydraulic turbines of this type is determined mainly by erosion wear factor. Considering previous operation experience of power plants of this type is important in new construction or reconstruction, modernization of hydraulic power plants and installation of new equipment. The article presents the numerical simulation analysis of a two-phase flow in a high head Francis turbine operating at a low specific speed to evaluate erosion wear of runner blades using Tabakoff-Grant model at various operating modes and sediment mass flow rates. We show that the value of erosion wear is mainly associated with the values of local flow rates, the most damaged areas are the leading and trailing edges of the blade, as well as the pressure side of the blade. The results confirm the linear dependence of Francis turbine runner blade erosion on the amount of sediments. We determined that the new hydraulic equipment made of stainless steel instead of regular carbon cast steel may not sufficiently increase intervals between overhauls.

Alternate abstract:

На гидроэлектростанциях с высоким напором, использующих энергию горных рек широко применяются гидротурбины радиально-осевого типа. Как правило, из-за высокой концентрации взвешенных наносов в горных реках, ресурс гидротурбин данного типа определяется в основном фактором эрозионного износа. Как при новом строительстве, так и при проведении реконструкций и модернизаций таких ГЭС с установкой нового оборудования, важно учесть опыт предыдущей эксплуатации подобных энергообъектов. В работе применяется метод численного моделирования двухфазного течения в высоконапорной радиально-осевой гидротурбине малой быстроходности для оценки плотности эрозионного износа лопастей рабочего колеса по модели Табакова-Гранта на разных режимах работы с разным расходом наносов в потоке. Показано, что величина эрозионного износа в основном связана с величинами местных скоростей потока, наиболее повреждаемыми областями является входная и выходная кромки лопасти, а также сторона давления лопасти. Подтверждено, что величина плотности эрозионного износа имеет прямую линейную зависимость от величины расхода наносов, поступающих в проточную часть гидротурбины. Определено, что в данных условиях применение нержавеющей стали вместо обычной углеродистой может не сказаться гарантированно в лучшую сторону на времени между капитальными ремонтами и, как следствие, объеме выработки электроэнергии ГЭС.