УДК 62.82
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО РЕЖИМА ПРЯМОТОЧНОЙ ГИДРОТУРБИНЫ
, АО «КазНИИ Энергетики имени академика », АО «КазНИИ Энергетики имени академика »,*****@***ru.
При помощи программной среды COMSOL Multiphysics была смоделирована трехмерная модель малонапорной гидротурбины. В основу расчетов взяты уравнения гидродинамики с учетом турбулентных составляющих, а также численные методы с переменной сеткой. Необходимо указать, что разработанное программное обеспечение является новой разработкой и математическое моделирование также будет модифицироваться в дальнейшем для расчетов различных узлов гидротурбины [1-2].
Графические изображения работы гидротурбины при помощи программы COMSOL Multiphysics приведены на рисунке 1 [3], на которой с правой стороны в колонке показано изменение скорости воды от насыщенного синего цвета до насыщенного красного цвета.
Рисунок 1– Изменение скорости воды
Как видно из рисунка 1, в конусообразной передней части ротора, можно увидеть увеличение скорости. Расчеты также показывают повышенное давление в носовой части гидротурбины. Передняя часть гидротурбины имеет конусообразную форму с криволинейным подводом воды, при входе воды в гидротурбину образуется вихрь. В связи с этим, в передней части гидротурбины, давление имеет высокое значение [4].
Данный эффект предусмотрен для оказания повышенного давления на лопасти гидроколеса, чтобы обеспечить его закрутку. После прохождения гидроколеса давление падает, т. к. потоку предоставляется возможность расширения, что увеличивает его живое сечение. Живое сечение потока в дальнейшем не меняется, чтобы не уменьшать пропускную способность гидротурбины. Распределение давления по длине гидротурбины показывает, что повышенное давление на передней части обусловлено вращением и сопротивлением лопастей гидроколеса, а на выходе из гидротурбины давление низкое, что создает дополнительную возможность повышения пропускной способности изучаемой конструкции.
По результатам моделирования, было определено оптимальное количество лопастей, располагаемых на роторе гидротурбины и выбран угол атаки потоком лопасти [5-6].
Толщина лопатки определяется по формуле:
(1)
где, коэффициент 0,005 описывает быстроходные гидротурбины, а коэффициент 0,01 описывает малоходные гидротурбины. В нашем случае, выбираем коэффициент 0,005; Z – количество лопаток; дмах – толщина лопатки; D1 – диаметр трубопровода; h – напор воды [7].
Результаты расчета:
при Z = 12
при Z = 9
при Z = 6
Результаты расчета показывают, что при увеличении количества лопаток, уменьшается ее толщина.
Если на роторе гидротурбины установим 12 лопаток, то ее толщина будет ровна 2,4 мм, при установлении 9 лопаток, толщина ровна 2,5 мм и при 6 лопаток, толщина составит 2,8 мм.
При установлении на гидротурбину 6 лопаток, обороты ротора в минуту составят в пределах от 110-115 об/мин., при 9 лопаток, обороты ротора увеличится до 155 об/мин., при увеличении количества лопаток гидротурбины до 12, обороты гидротурбины снижаются до 120 об/мин.
Расчеты и эксперименты показали, что при установлении на гидротурбину 9 лопаток, будет самым оптимальным.
На рисунке 2 приведена экспериментальная модель малонапорной гидротурбины, где гидроколесо имеет 9 лопастей.
Рисунок 2 – Общий вид лабораторной модели прямоточной гидротурбины
Литература
SOL Multiphysics User’s Guide, May 2012. – 1292 p.
2. Introduction to COMSOL Multiphysics, December 2013, 162 p.
3. Turbulent Flows by Stephen B. Pope, Cambridge University Press: Cornell University, 2000. – 773 p.
4. AEROTHERMODYNAMICS OF TURBOMACHINERY, ANALYSIS AND DESIGN, Naixing Chen, Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, China, 2010. – 461 p.
5. НОВЫЕ ЧИСЛЕННЫЕ МОДЕЛИ ГИДРОДИНАМИКИ ТУРБОМАШИН, , Новосибирск – 2013.
6. и др. Расчет обтекания лопаток направляющего аппарата гидравлической турбины // Гидр. Машины.- Харьков, 1992.–Вып. 26.-С. 18 – 24.
7. Основы теории гидротурбин. Курс лекций, ч. 1. Харьков, Изд-во ХГУ, 1974.
