Методики прогнозування низькочастотних пульсацій тиску у відсмоктуючій трубі гідротурбіни

Abstract

Наведено порівняння сучасних методик розрахунку низькочастотних джгутових пульсацій тиску у відсмоктуючій трубі з експериментом. Вібрації у проточній частині жорстколопатевих гідротурбін суттєво залежать від пульсацій тиску, які обумовлені рухом вихрових джгутів за робочими колесами у відсмоктуючій трубі. Силова взаємодія вихорів з елементами проточного тракту може призвести до серйозних аварій. Розглянуто зменшення низькочастотних пульсацій тиску, що сприяє підвищенню надійності і збільшення потужності гідроагрегатів. У більшості, вихрові джгути мають складну просторову гвинтову форму, тому для розрахунку пульсацій тиску треба використовувати просторові математичні моделі. Це можуть бути сучасні пакети програм гідродинаміки, які вирішують завдання механіки суцільного середовища і використовують рівняння Рейнольдса. Процес вирішення завдань в цьому випадку здійснюється за допомогою пакету прикладних програм CFD, що включає етапи: створення тривимірної моделі розглянутого об'єкта за допомогою системи САПР; побудова розрахункової сітки; вибір математичної моделі турбулентності; завдання граничних умов. З іншого боку, це можуть бути простіші моделі для нев'язкої рідини, що розглядаються у квазістаціонарній постановці. Наприклад, коли стінка відсмоктуючої труби моделюється вихровий поверхнею, що складається з тонких вихрових шнурів змінної інтенсивності, що мають форму спіралі. Швидкості, індуковані джгутами, розраховуються за формулами Кочіна М. Є; швидкості, індуковані вихровою поверхнею визначаються з граничних умов з рішення рівняння Фредгольма, а амплітуди пульсації тиску визначаються на основі інтеграла Бернуллі. У першому випадку для виконання задачі потрібні значні ресурси машинного часу, а похибка при розрахунку амплітуд пульсацій тиску становить до 10 % в порівнянні з експериментальними даними, у другому – 15–20 % при меншому час розрахунків. Результати розрахунків джгутових пульсацій тиску використовуються в розрахунках на міцність елементів проточної частини гідротурбіни з великими запасами по коефіцієнтам міцності, тому можливе використання в прогнозних розрахунках джгутових пульсацій тиску і більш простих моделей.A comparison of modern methods for calculating low-frequency rope pulsations of pressure in a suction pipe with experiment is given. Vibrations in the flow path of rigid-blade hydraulic turbines significantly depend on pressure pulsations, which are caused by the movement of vortex swirls behind the impellers in the draft tube. Forceful interaction of vortices with elements of the flow path can lead to serious accidents. A decrease in low-frequency pressure pulsations is considered, which contributes to an increase in reliability and an increase in the power of hydraulic units. Most of these vortex swirls have a complex spatial helical shape, therefore, for calculating pressure pulsations it is necessary to use spatial mathematical models. These can be modern hydrodynamics software packages that solve the problems of continuum mechanics and use the Reynolds equations. The process of solving problems in this case using the CFD application package, which includes the stages: creating a three-dimensional model of the object under consideration using a CAD system; construction of a computational grid; choice of turbulence model; setting boundary conditions. On the other hand, these can be simpler models for an inviscid fluid in a quasi-stationary setting. For example, when the wall of the draft tube is modeled by a vortex surface, consisting of thin vortex cords of variable intensity, having the shape of a spiral. The velocities induced by the main swirls are calculated by the formulas of M. E. Kochin, and the velocities induced by the vortex surface are determined from the boundary conditions from the solution of the Fredholm equation; pressure pulsation amplitudes are determined based on the Bernoulli integral. In the first case, solving the problem requires significant resources of computer time, and the error in calculating pressure pulsations is up to 10 % compared to the experimental data, in the second – 15–20 % with a shorter calculation time. The results of calculating rope pulsations of pressure are used in strength calculations of the elements of the flow path of a hydraulic turbine with large safety factors, therefore, it is possible to use in calculations of pulsations of pressure and simpler models.