Analisi sperimentale delle prestazioni e delle instabilità fluidodinamiche di una turbina Francis operante a velocità variabile

This thesis describes an experimental analysis activity conducted on a Francis turbine at the Hydraulic Machines Laboratory of the University of Padua.The general objective was to investigate the dynamic behavior of the machine as operating conditions change. Particular attention was devoted to the study of the characteristic operating parameters of the turbine, such as pressures, torque, and flow rate, as functions of changes in rotational speed and wicket gate opening. For the acquisition and collection of experimental data, the LabVIEW software was used. In particular, two distinct programs were employed: one dedicated to recording instantaneous parameters, especially pressure, aimed at studying oscillations, and a second devoted to collecting averaged values, used for performance analysis of the turbine and for constructing characteristic curves. The experimental campaign concerning instantaneous data was developed through the systematic acquisition of pressure signals at significant points in the hydraulic circuit, namely at the turbine inlet and outlet. The analysis of the obtained values showed that, as rotational speed increases, a progressive rise in pressure oscillations and a greater variability of the operating parameters are observed, indicating an increase in system instability under more demanding operating conditions. Particular attention was devoted to the construction and analysis of the efficiency envelope curve. The latter was obtained from averaged experimental values measured under different operating conditions of rotational speed and flow rate. This curve represents a fundamental tool for the characterization of the overall performance of the machine: it makes it possible to identify optimal operating conditions and to define the operating range within which the turbine operates at the highest efficiency levels. The analysis of the envelope therefore made it possible to describe in a concise manner the evolution of efficiency as a function of speed and flow rate, providing a useful reference for performance evaluation and for comparison among different operating conditions. In order to further deepen the study of the pressure field and the behavior of the envelope curve, a pressure probe was designed and installed inside the draft tube. This made it possible to perform localized measurements and to acquire data with greater detail compared to previous configurations. The insertion of the probe enabled a better understanding of the fluid dynamic phenomena developing in the draft tube, an area particularly sensitive regarding pressure distribution and turbine operating stability. The results obtained provide an experimental contribution to the understanding of instability dynamics in hydraulic turbomachinery and constitute a useful basis for defining operational criteria aimed at improving turbine performance.

La presente tesi descrive un’attività di analisi sperimentale condotta su una turbina Francis presso il laboratorio di Macchine Idrauliche dell’Università di Padova. L’obiettivo generale è stato quello di investigare il comportamento dinamico della macchina al variare delle condizioni operative. L’attenzione è stata rivolta in particolare allo studio delle grandezze caratteristiche del funzionamento della turbina, quali pressioni, coppia e portata, in funzione della variazione della velocità di rotazione e dell’angolo del distributore. Per l’acquisizione e la raccolta dei dati sperimentali è stato utilizzato il software LabVIEW. In particolare, sono stati impiegati due distinti programmi: uno dedicato alla registrazione delle grandezze istantanee, specialmente la pressione, finalizzato allo studio delle oscillazioni, e un secondo indirizzato alla raccolta delle grandezze mediate, utilizzate per l’analisi delle prestazioni della turbina e per la costruzione delle curve caratteristiche. La campagna sperimentale dei dati istantanei è stata sviluppata attraverso l’acquisizione sistematica dei segnali di pressione in punti significativi del circuito idraulico, ossia all’ingresso e all’uscita della turbina. L’analisi dei valori ottenuti ha evidenziato come, all’aumentare della velocità di rotazione, si osservi un progressivo incremento delle oscillazioni delle pressioni e una maggiore variabilità dei parametri operativi, indicando una crescita dell’instabilità del sistema in condizioni di esercizio più gravose. Particolare attenzione è stata dedicata alla costruzione e allo studio della curva di inviluppo del rendimento. Quest’ultima è stata ottenuta a partire dai valori sperimentali mediati, misurati in corrispondenza delle diverse condizioni operative di velocità di rotazione e portata. Tale curva rappresenta uno strumento fondamentale per la caratterizzazione delle prestazioni globali della macchina: essa consente di individuare le condizioni di funzionamento ottimali e di definire il campo operativo entro il quale la turbina opera con i migliori livelli di efficienza. L’analisi dell’inviluppo ha permesso, dunque, di descrivere in modo sintetico l’evoluzione del rendimento in funzione della velocità e della portata, fornendo un riferimento utile per la valutazione delle prestazioni e per il confronto tra differenti condizioni di esercizio. Al fine di approfondire ulteriormente lo studio del campo di pressione e l’andamento della curva di inviluppo, è stata progettata e installata una sonda di pressione all’interno del diffusore. Questo ha permesso l’esecuzione di misure localizzate e l’acquisizione di dati con maggiore dettaglio rispetto alle configurazioni precedenti. L’inserimento della sonda ha reso possibile una migliore comprensione dei fenomeni fluidodinamici che si sviluppano nel diffusore, area particolarmente sensibile dal punto di vista della distribuzione delle pressioni e della stabilità del funzionamento della turbina. I risultati ottenuti forniscono un contributo sperimentale alla comprensione delle dinamiche d’instabilità nelle turbomacchine idrauliche e costituiscono una base utile per la definizione di criteri operativi finalizzati al miglioramento delle prestazioni delle turbine.