Визначення гідродинамічних характеристик оборотних гідромашин на основі методів математичного моделювання

Abstract

Питання дослідження та модернізації проточних частин оборотних гідравлічних машин зараз дуже актуальні. 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. Одним із методів є метод з використанням безрозмірних усереднених параметрів. В роботі отримані рівняння моделі (макрорівень) робочого процесу, які можуть бути використані як для аналізу кінематичних і енергетичних характеристик оборотної гідромашини при фіксованій геометрії проточної частини, так і для чисельного моделювання впливу геометричних параметрів на ці характеристики. Стаття містить залежності витрати, ККД, потужності від геометричних і режимних параметрів, що дозволяють вже на початковій стадії проектування оцінити енергетичні якості оборотної гідромашини. Наведено формулу для визначення кута потоку за напрямним апаратом. Наведено розрахунки енергетичних характеристик для проточних частин оборотних гідромашин ОРО200, ОРО500. Побудовані поверхні гідравлічного ККД для ОРО200 і ОРО500, визначені теоретичні і енергетичні параметри. Для більш досконалого дослідження оборотної гідромашини було проведене чисельне дослідження на мікрорівні за допомогою програми CFD, що дозволило отримати розподіл тисків та швидкостей в проточній частині в турбінному режимі при оптимальних значеннях витрати та обертів. Розглядаються питання дослідження балансу енергії. Аналіз результатів досліджень показав, що гідравлічні втрати займають значну долю від загальних, тому в ході роботи були визначені гідравлічні втрати в елементах проточної частини насос-турбіни на основі методу усереднених безрозмірних параметрів та методу просторової течії. Порівняльний аналіз отриманих результатів за різними моделями з результатами фізичного експерименту показав задовільну збіжність, що свідчить про доцільність застосування обраних методів для дослідження оборотних гідромашин.

The issues of research and modernization of water passages of reversible hydraulic machines are now very relevant. During development of the water passages of reversible hydraulic machines, mathematical models for describing the working process are widely used. These models are based on different degrees of detail. The description of the working process at the macro and micro levels are considered in this paper. It allows to solve a set of tasks depending on the purposes. One of the methods is based on the use of dimensionless averaged parameters. In this work, the equations of the working process (macro level) are obtained. Such equations can be used to analyze the kinematic and energy characteristics of a reversible hydraulic machine with a fixed geometry of the water passage, and for numerical modeling of the influence of geometric parameters on these characteristics. The article contains the dependences of flow rate, efficiency, power on the geometric and mode parameters, which allow to assess the energy quality of the reversible hydraulic machine even at the initial stage of design. The formula for determining the flow angle of the wicket gate is given. Calculations of energy characteristics for water passages of reversible hydraulic machines ORO200, ORO500 are given. Hydraulic efficiency surfaces for ORO200 and ORO500 are constructed, theoretical and power parameters are defined. For a better study of the reversible hydraulic machine, a numerical micro-level study was performed using the CFD program. This software product allowed to obtain the distribution of pressures and velocities in the water passage in the turbine operation mode at optimal values of flow rate and rotation speed. The issues of energy balance research are considered. The analysis of research results showed that hydraulic losses occupy a significant share of the total. So during research the hydraulic losses in the elements of the water passage of the pump-turbine were determined based on the method of averaged dimensionless parameters and the method of spatial flow (numerical research method). Comparative analysis of the results obtained by different models with the results of the physical experiment showed satisfactory convergence, which indicates the apropriateness of using the selected methods for the study of reversible hydraulic machines.