Вплив геометричних параметрів робочого колеса на енергетичні показники радиально-осьової гідротурбіни

Abstract

У статті наводиться методика пошуку раціональних варіантів спроектованого робочого колеса радіально-осьової гідротурбіни, яка заснована на чисельному моделюванні впливу геометричних та режимних параметрів на енергетичні характеристики гідротурбіни. Такий пошук здійснюється за допомогою багатоваріантного чисельного аналізу на основі математичного опису енергетичної взаємодії потоку з робочими органами гідротурбіни. Викладена методика прогнозування та аналізу кінематичних та енергетичних характеристик дозволяє визначати кінематичні (швидкості, кути потоку) та енергетичні параметри (баланс втрат енергії, ККД) у заданому діапазоні режимних параметрів. Ці дані необхідні для оцінки окремих видів втрат (тертя, циркуляційних, ударних та ін.). Така інформація є основою для внесення змін до геометрії робочого колеса (модифікацій) з метою підвищення енергетичних показників. Математичний опис робочого процесу заснований на принципах блочно-ієрархічного підходу і є комплексом взаємопов'язаних між собою моделей різного рівня. При цьому кожен ієрархічний рівень характеризується різним ступенем деталізації математичного опису та своїм підходом під час вирішення задачі. Загальна структура математичного опису встановлюється за допомогою основного рівняння гідротурбіни та рівняння балансу енергії. Для отримання функціональних залежностей між основними параметрами гідротурбіни з геометричними та режимними параметрами у безрозмірній формі використовуються методи теорії розмірності. При побудові моделей втрат вноситься певна похибка у зв'язку з прийнятим припущенням незалежності видів втрат друг від друга. Наведена методика не дозволяє досить точно визначити величини ККД. Однак вона дозволяє з'ясувати основні закономірності зміни в залежності від режимних і геометричних параметрів для різних варіантів модифікацій робочого колеса. Це підтверджується задовільною збіжністю дослідних даних та результатів розрахунку.

The article presents a methodology for searching rational variants of a designed runner turbine Francis based on numerical modeling of geometrical and regime parameters influence on hydraulic turbine power characteristics. Such search is carried out by means of multivariant numerical analysis based on mathematical description of power interaction of a stream with working organs of a hydraulic turbine. The stated methodology of prediction and analysis of kinematic and energy characteristics allows to determine kinematic (speed, flow angles) and energy parameters (balance of energy losses, efficiency) in a given range of regime parameters. These data are necessary to assess individual types of losses (friction, circulation, impact, etc.). The information thus obtained is the basis for making changes in the geometry of the runner (modifications) in order to improve the energy performance. Mathematical description of operating process is based on principles of block-hierarchical approach and represents a complex of interconnected models of different levels. In this case, each hierarchical level is characterized by a different degree of detailed mathematical description and its approach in solving the problem. General structure of mathematical description is established by means of basic equation of hydraulic turbine and energy balance equation. To obtain functional dependences between the main parameters of the hydraulic turbine and geometric and mode parameters in dimensionless form, dimensionality theory methods are used. The construction of loss models introduces a certain error in connection with the assumption of independence of types of losses from each other. The given method does not give an opportunity to determine accurately enough the values of efficiency. However, it allows you to find out the basic patterns of its changes depending on the operating and geometric parameters for different versions of the modifications of the runner. This is confirmed by satisfactory convergence of experimental data and calculation results.