Застосування методів математичного моделювання при чисельному дослідженні гідродинамічних характеристик високонапірної оборотної гідромашини

Abstract

Як випливає з Енергетичної програми України проектування та побудова гідроакумулюючих станцій є пріоритетним напрямком розвитку гідроенергетики України. Перспектива побудови Закарпатської ГАЕС потребує вирішення ряду питань дослідження та модернізації проточних частин високонапірних оборотних гідравлічних машин. У сучасних умовах роботи енергосистем гострою є проблема покриття пікових навантажень, що викликає необхідність приділяти більше уваги роботі оборотних гідромашини в турбінному режимі. При розробці проточних частин оборотних гідромашин широко використовуються математичні моделі опису робочого процесу, які ґрунтуються на різних ступенях його деталізації. В даній роботі розглядається опис робочого процесу на макро- та мікрорівнях, що дає можливість вирішувати комплекс задач в залежності від поставлених цілей. Результати чисельного розрахунку на макромоделях дозволяють проводити дослідження впливу геометрії окремих елементів проточної частини на гідродинамічні характеристики. У роботі, на першому етапі, застосований метод безрозмірних осереднених параметрів, який дозволяє на етапах проектування проточної частини нової оборотної гідравлічної машини або модернізації її вибрати оптимальну геометрію елементів проточної частини. Даний метод позитивно зарекомендував себе при чисельному дослідженні високонапірних оборотних гідравлічних машин на напори від 200 м до 500 м. При застосуванні даної математичної моделі – макрорівень, необхідно мати геометричні параметри лише в характерних перетинах проточної частини оборотної гідромашини. В ході роботи були досліджені три варіанти проточної частини високонапірної тихохідної оборотної гідромашини ОРО500-В-100. В результаті було визначено, яка геометрія елементів проточної частини значно впливає на гідродинамічні показники гідромашини. Було встановлено, що в підвідній частині (спіральної камери зі статором і направляючому апарату) найбільші значення гідравлічних втрат (до 65 % від загальних). Для другого та третього варіантів проточної частини були змінені параметри саме цих елементів. При зміні параметрів спіральної камери (збільшенні осередненого кута потоку на 10°) привело до збільшення гідравлічного ККД на 1,16 %. При зміні геометрії направляючого апарату – на 0,84 %. Для більш досконального дослідження першого варіанта оборотної гідромашини було проведене чисельне дослідження на мікрорівні за допомогою програми CFD (OpenFOAM), що дозволило отримати розподіл тисків та швидкостей в проточної частині в турбінному режимі при оптимальних значеннях витрати та обертів. Порівняльний аналіз отриманих результатів за різними моделями з результатами фізичного експерименту показав задовільну збіжність, що свідчить про доцільність застосування обраних методів для дослідження високонапірних оборотних гідромашин.

As follows from the Energy Program of Ukraine, the design and construction of pumped storage stations is a priority direction for the development of hydropower in Ukraine. The prospect of building the Zakarpatskay Power Storager Station requires a number of research issues and modernization of the flow paths of high-pressure circulating hydraulic machines. In modern conditions of power systems operation, the problem of covering peak loads is an acute problem, which makes it necessary to pay more attention to the operation of reversible hydraulic machines in turbine mode. When developing the flow paths of reversible hydraulic machines, mathematical models for describing the working process are widely used, which are based on different degrees of its detailing. In this paper, a description of the workflow at the macro and micro levels is considered, which makes it possible to solve a set of tasks depending on the goals set. The results of numerical calculations on macromodels make it possible to study the influence of the geometry of individual elements of the flow path on the hydrodynamic characteristics. In the work, at the first stage, the method of dimensionless averaged parameters was applied, which allows at the stages of designing the flow path of a new reversible hydraulic machine or its modernization to select the optimal geometry of the flow path elements. This method has positively proved itself in the numerical study of high-pressure reversible hydraulic machines for heads from 200 m to 500 m. When using this mathematical model – the macro level, it is necessary to have geometric parameters only in the characteristic sections of the flow path of the reversible hydraulic machine. In the course of the work, three variants of the flow path of a high-pressure low-speed reversible hydraulic machine ORO500-V-100 were investigated. As a result, it was determined which geometry of the flow path elements significantly affects the hydrodynamic performance of the hydraulic machine. It was found that in the inlet part (spiral chamber with stator and guide vanes) the highest values of hydraulic losses (up to 65 % of the total). For the second and third variants of the flow path, these elements were changed. Changing the parameters of the spiral chamber (increasing the averaged flow angle by 10°) led to an increase in the hydraulic efficiency by 1,16 %. With a change in the geometry of the guide vane – by 0,84 %. For a more detailed study of the first version of a reversible hydraulic machine, a numerical study was carried out at the micro level using the program CFD (OpenFOAM), which made it possible to obtain the distribution of pressures and speeds in the flow path in a turbine mode at optimal values of disharger and revolutions. A comparative analysis of the results obtained for different models with the results of a physical experiment showed satisfactory convergence, which indicates the expediency of using the selected methods for the study of high-pressure reversible hydraulic machines.