Kaplan turbines are widely utilized in low-head and large flow power stations. This paper employs Computational Fluid Dynamics (CFD) to complete numerical calculations of the full flow channel under different blade angles and various guide vane openings, based on 25 off-cam experimental working conditions. The internal flow characteristics of the runner blade and draft tube are analyzed, and a discriminant number for quantitatively assessing the flow uniformity of the draft tube is proposed. The results indicate that low-frequency and high-amplitude pressure pulsations occur on the high- and low-pressure edge of the blade when the opening is small, with pulsations decreasing as the opening increases. The inner flow line of the draft tube is disturbed when both the blade angle and opening are small. Additionally, the secondary frequency of the draft tube inlet is double that of the vane passing frequency. The discriminant number of the flow inhomogeneity approaches 0 under optimal flow conditions. The number increases continuously with the decrease in efficiency, and the flow in the three piers of draft tube becomes more nonuniform. The research results provide a reference for enhancing performance and ensuring the operational stability of Kaplan turbines.

Abstract In the context of increasing demand for flexible operation of hydropower plants, this study analyses the factors leading to instability in a prototype pump turbine under turbine mode, based on experimental data collected on-site. Pressure sensors and accelerometers were installed to compare pressure signals and vibration acceleration signals. The test results show that the characteristics of pressure fluctuation are dominated by three specific factors under different output power. Vibration reaches its maximum value at approximately 30% of the rated output and its minimum value at around 70% of the rated output, and the causes of twice increases in vibration is not the same. These characteristics often indicate potential unsteady flow, vortex-induced vibration, and flow separation, subsequently affecting the stability of the pump turbine. Understanding the conditions and severity of the occurrence of instability characteristics in the unit is of great significance for power plant personnel to adjust the unit’s operation strategy and improve operational efficiency.

Abstract Fault diagnosis of hydraulic machinery has high requirements on the synchronization of monitoring data and the anti-interference of monitoring equipment. The performance and data quality of the existing operation monitoring equipment of the unit cannot meet the requirements. At the same time, due to the variety of sensors and the different wiring methods of different types of sensors, the preparation work such as wiring of data acquisition equipment in the test is complicated. This paper analyzes the application requirements of fault diagnosis data and the problems existing in the conventional data collection process. A data collection solution specified for diagnosis of hydraulic machinery, which better solves the problem of data synchronization, is designed. The new designed system has high sampling accuracy and anti-interference characteristics, as well as the advantages of strong capability and simple equipment deployment. The proposed system has been applied in multiple power stations, pumping stations and pump test platforms. The relevant functions have been effectively verified.

Abstract Pump turbine adopts the same runner to realize forward pumping for pumping condition and reverse power generation for turbine condition, which is a widely used power equipment in pumped storage power station. Compared with conventional pump units or turbine units, the pump turbine has a complex internal flow, especially under part load conditions, and the vibration and noise problems of the structure are prominent. In this paper, the internal flow characteristics of the pump turbine at 60% load are studied by numerical simulation. The low-frequency pressure pulsation 3.5 f n and 5.5 f n that occur under this operating condition are analyzed. The results show that under partial load conditions, the opening of the guide vane decreases, the angle of attack of the water entering the runner increases, and the rotating stall phenomenon occurs in the pump turbine. The stall vortices show periodic variations on the blade inlet pressure surface and undergo the processes of vortex reduction, fusion, splitting and increase, respectively. The frequency of change is 0.5 times the runner rotation frequency (0.5 f n ). The frequency of the corresponding monitoring points in the 7 blade rotor is 7 times (1 f n -0.5 f n ), which is 3.5 f n .

Abstract The multifield design and multifield coupling performance of the Francis turbine unit is a topic that needs to be studied deeply. In this paper, the strength evaluation of the stationary structures of the flow passage of a large Francis turbine unit under extreme conditions has been performed based on the fluid-structure coupling theory. The calculated stationary structures include the spiral casing, bottom ring, and head cover. The pressure load applied on the structures is 1.5 times the maximum head of the unit. The results show that there is stress concentration in the spiral casing, and the weld length with equivalent stress greater than 345 MPa reaches 800 mm; the maximum stress at the rib plate of the head cover reaches 357 MPa, which is greater than the yield limit 345MPa. Based on the evaluation results, the local and overall defects of the unit design can be found. The suggested strength evaluation methodology can provide references for the optimization of the unit and a theoretical basis for the operation of the unit.

Abstract The size of the runner crown gap is one of the factors affecting the volume loss of the pump turbine, and the unreasonable gap thickness is unfavourable to the unit operation. By establishing a three-dimensional full-channel fluid domain model of a high-head pump turbine, and using the computational fluid dynamics (CFD) method to perform numerical calculations on models with different crown gap thicknesses, the effects of axial water thrust on runners with different upper crown gap thicknesses are clarified. The results of simulation indicates that the resultant force of axial water thrust on the runner is vertically upward under different gap thicknesses, which is far less than the weight of the whole rotating part. The axial water thrust is very sensitive to the change of the seal gap value, the greater the seal gap value, the greater the axial water thrust on the unit, and the axial water thrust begins to decrease after increasing to a certain value. The research results are referable for the study of the gap flow characteristics and the crown gap design.

Abstract In this paper, the cam curve selection methodology of the largest Kaplan turbine unit is discussed. The cam curves generated by both index test and stability test are presented and analysed. To compare with the current cam curve running the power plant, the efficiency cam curve increases the unit efficiency by around 1%; while the stability cam curve has decreased the vibration with a small cost of output (less than 2%). The research gives the operators of hydraulic turbine unit a guidance of selecting the optimal operation strategy.

With the requirement of flexible operation of hydraulic turbine units, Francis turbine units have to adjust their output into extended operating ranges in order to match the demand of the power grid, which leads to more off-design conditions. In off-design conditions, hydraulic excitation causes excessive stress, pressure pulsation, and vibration on the machines. Different designs of Francis turbines cause different hydraulic excitations and vibrational behaviors. To conduct better condition monitoring and fault prognosis, it is of paramount importance to understand the vibrational behavior of a machine. In order to reveal the influence factors of the vibration behavior of Francie turbine units, field tests have been conducted on two similar-designed Francis turbine units and vibration features have been compared in this research. The vibrational behavior of two Francis turbine units installed in the same power station is compared under extended operating condition. Field tests have been performed on the two researched units and the vibration has been compared using the spectrum analysis method. The vibration indicators are extracted from the test data and the variation rules have been compared. By comparing the vibration behavior of the two machines, the design and installation difference of the two machines have been analyzed. This research reveals the effects of different designs and installations of Francis turbines on the vibration performance of the prototype units. The obtained results give guidance to the designers and operators of Francis turbine units.

Sediment erosion of hydraulic machinery can cause a lot of energy loss, thereby affecting their operational stability. Herein, solid–liquid two-phase flow simulations are conducted on a pump turbine using the Euler–Lagrangian model to predict the sediment-laden flow and sediment erosion. The predicted results are verified through experiments. The correlation between the energy loss characteristics and sediment erosion in hydraulic turbines is analysed using the entropy production and vorticity theories. Results show that the total vorticity in the runner area increases with the guide vane opening. The entropy production corresponds to a high-vorticity region. Energy dissipation is positively correlated with the degree of turbulence in the flow regime. Certain phenomena, such as vortex flow, impact, and friction in the runner area, are important causes of energy loss. Vortices can also cause local sediment erosion on runner blade walls. Severe wall sediment erosion typically occurs at locations with high entropy production. The total entropy production along the particle flow path is consistent with the variation law of the wall sediment erosion rate.