Чисельне моделювання потоку в підвідній частині радіально-діагональної гідротурбіни

Abstract

Представлено результати чисельного дослідження гідродинамічних характеристик підвідної частини нової конструкції високонапірної радіально-діагональної гідротурбіни. Здійснено аналіз ключових вимог до проточної частини гідроагрегатів, призначених для роботи в широкому діапазоні високих напорів, де традиційні радіально-осьові турбіни мають суттєві експлуатаційні обмеження, зокрема вузький робочий діапазон та схильність до кавітаційних явищ. Основна увага приділена перевірці гідродинамічної досконалості підвідних елементів інноваційної турбіни, конструкція якої включає дворядну лопатеву систему робочого колеса та проміжний направляючий апарат для підвищення ефективності та гнучкості регулювання. Для проведення дослідження було створено деталізовану тривимірну геометричну модель підвідної частини, що складається зі спіральної камери, статора та направляючого апарата, у середовищі CAD-програми SolidWorks. На основі створеної моделі виконано чисельний аналіз просторового потоку методами обчислювальної гідродинаміки у програмному комплексі Ansys CFX. Для замикання системи рівнянь Нав'є-Стокса, усереднених за Рейнольдсом, було використано модель турбулентності k-ε. Проаналізовано отримані поля розподілу швидкостей та тисків, а також візуалізовано лінії току для оцінки структури потоку. Результати моделювання продемонстрували, що конструкція забезпечує формування стабільного та рівномірного потоку на вході до робочого колеса, що є критично важливим для уникнення нерівномірного навантаження на лопаті. Сумарні гідравлічні втрати в підвідній частині становлять 4,7 %. Отримані дані підтверджують високу якість проєктування підвідних елементів та є необхідною основою для подальшого комплексного аналізу всієї проточної частини, що дозволить отримати повну енергетичну характеристику та оцінити її кавітаційні показники. Це дослідження є важливим етапом у валідації нової конструкції, що сприятиме розробці більш надійних та адаптивних гідроенергетичних систем.This paper presents the results of a numerical investigation into the hydrodynamic characteristics of the inlet passage of a novel high-head radialdiagonal hydroturbine design. A comprehensive analysis of the primary challenges associated with the flow paths of hydraulic units designed for highhead applications is conducted. It is established that conventional Francis turbines exhibit significant operational limitations in this range, including a narrow efficiency band and a high susceptibility to cavitation phenomena when operating off-design. The primary focus of this research is to verify the hydrodynamic performance of the inlet components of the innovative turbine, whose design incorporates a double-row runner blade system and an intermediate guide vane apparatus. This configuration is intended to enhance overall energy efficiency and provide greater operational flexibility. To facilitate this study, a detailed three-dimensional geometric model of the inlet passage was developed within the SolidWorks CAD environment. Based on this geometric model, a numerical analysis of the three-dimensional fluid flow was performed using computational fluid dynamics methods within the Ansys CFX software suite. The Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations were employed, with the k-ε turbulence model utilized to ensure closure and accurately simulate turbulent flow behavior. The resulting velocity and pressure distribution fields were thoroughly analyzed, and streamlines were visualized to provide a qualitative assessment of the flow structure. The simulation results demonstrate that the proposed design ensures the formation of a highly stable and uniform flow field at the runner inlet, which is a critical precondition for preventing uneven blade loading and achieving optimal performance. The total calculated hydraulic losses within the inlet passage were found to be 4.7 %. These findings confirm the high quality of the inlet components' design and provide an essential foundation for a subsequent comprehensive analysis of the entire flow path. Future work will aim to determine the complete energy characteristics and evaluate the cavitation performance of the turbine. This research represents a crucial step in the validation of the new design, contributing to the development of more reliable and adaptive hydropower systems.