Чисельне дослідження впливу геометричних параметрів робочого колеса насосу на енергетичні характеристики

Abstract

Запропоновано методику пошуку раціональних варіантів спроєктованого робочого колеса гідромашини, що базується на чисельному моделюванні впливу геометричних і режимних параметрів на її енергетичні характеристики. Пошук оптимальних рішень здійснюється шляхом багатоваріантного чисельного аналізу на основі математичного опису енергетичної взаємодії потоку з робочими органами гідромашини. Запропонована методика дозволяє прогнозувати та аналізувати кінематичні й енергетичні характеристики у заданому діапазоні режимів, зокрема визначати параметри потоку, кути входу та виходу, баланс енергетичних втрат і ККД. Отримані результати є необхідними для оцінювання основних складових втрат енергії – тертя, циркуляційних та ударних, а також для обґрунтованого внесення змін до геометрії робочого колеса з метою підвищення енергетичних показників гідромашини. Математичний опис робочого процесу побудовано на засадах блочно-ієрархічного підходу та являє собою систему взаємопов'язаних моделей різного рівня деталізації. Загальна структура моделі визначається на основі основного рівняння гідромашини та рівняння енергетичного балансу. Для встановлення функціональних залежностей між основними параметрами гідромашини, геометричними та режимними параметрами у безрозмірній формі застосовано методи теорії розмірності. Запропонована методика дозволяє встановити основні закономірності зміни енергетичних характеристик залежно від режимних і геометричних параметрів, що підтверджується задовільною збіжністю результатів розрахунків та експериментальних даних у широкому діапазоні швидкохідності гідромашин.

The article proposes a method for searching for rational variants of the designed impeller of a hydraulic machine, based on numerical modeling of the influence of geometric and operating parameters on its energy characteristics. The search for optimal solutions is carried out by multivariate numerical analysis based on a mathematical description of the energy interaction of the flow with the working bodies of the hydraulic machine. The proposed method allows predicting and analyzing kinematic and energy characteristics in a given range of modes, in particular, determining the flow speed parameters, inlet and outlet angles, the balance of energy losses and the efficiency. The results obtained are necessary for assessing the main components of energy losses - friction, circulation and shock, as well as for substantiated changes to the impeller geometry in order to increase the energy performance of the hydraulic machine. The mathematical description of the working process is built on the principles of a block-hierarchical approach and is a system of interconnected models of various levels of detail. The general structure of the model is determined on the basis of the basic equation of the hydroturbine and the energy balance equation. To establish functional dependencies between the main parameters of the hydraulic machine, geometric and operating parameters in a dimensionless form, the methods of dimensional theory are applied. The proposed methodology does not provide high accuracy in determining the absolute values of efficiency, which is associated with the assumption of the independence of individual types of losses. At the same time, it allows you to establish the main patterns of changes in energy characteristics depending on the operating and geometric parameters, which is confirmed by the satisfactory convergence of the calculation results and experimental data.