Проектирование рабочего колеса радиально-осевой насос-турбины на условия Каневской ГАЭС

Abstract

Представлена методика и результаты выбора расчетных параметров проточной части радиально-осевой насос-турбины повышенной быстроходности на напор до 120 м. на условия Каневской ГАЭС. С помощью программного комплекса «Колесо» спроектировано рабочее колесо и определено его предварительные кинематические и энергетические показатели в турбинном и насосном режиме. Профилирование поверхности лопасти рабочего колеса проведено методом решения дифференциального уравнения линии тока в плане. С помощью программного комплекса IPMFlow выполнено численное исследование пространственного вязкого течения жидкости в проточной части. Моделирование течения вязкой несжимаемой жидкости в проточной части насос-турбины выполнено на основе численного интегрирования уравнений Рейнольдса с дополнительным членом, содержащим искусственную сжимаемость. Для учета турбулентных эффектов применяется дифференциальная двухпараметрическая модель турбулентности SST Ментера. Численное интегрирование уравнений проводится с помощью неявной квазимонотонной схемы Годунова второго порядка точности по пространству и времени. Дискретизация исследуемой расчетной области, включающей по одному каналу направляющего аппарата и рабочего колеса, выполнена с помощью структурированной сетки с шестигранными ячейками. На основе анализа структуры потока и гидравлических потерь проведена модификация рабочего колеса за счет уменьшения угла охвата лопасти и выполнено численное исследование течения в модернизированной проточной части. Пересчет теоретической напорной характеристики модели на натурные условия Каневской ГАЭС и зависимость КПД от подачи в насосном режиме показывают, что разработанная лопастная система рабочего колеса обеспечивает показатели, удовлетворяющие требованиям технического задания на проектирование насос-турбины. В турбинном режиме улучшение структуры потока на периферийном участке лопасти рабочего колеса привело к повышению его энергетических качеств: гидравлические потери в направляющем аппарате практически не изменились, потери в рабочем колесе при оптимальном режиме снизились на 0,65 %.

The method and the results of the design parameters selection of the flowing part of the radial-axial pump-turbine of high specific speed at head up to 120 m for the conditions of the Kaniv PSPP are presented. The blade has been designed with the help of the software complex«Runner» and its preliminary kinematic and energy characteristics have been determined in the turbine and pump modes. The surface of the runner blade was profiled using the method of solving the differential equation of the streamline in plan. A numerical study of the spatial viscous fluid flow in the flowing part using the software program IPMFlow has been performed. The fluid flow simulation on basis of numerical integration of the Reynolds equations with an additional term containing artificial compressibility has been implemented. The differential two-parameter model of Menter (SST) has been applied to take into account turbulent effects. Numerical integration of the equations is carried out using an implicit quasi-monotone Godunov type scheme of second - order accuracy in space and time. The sampling of the computational domain under investigation, including one channel of the guide vane and the runner, was performed using a structured grid with hexagonal cells. Based on the analysis of the flow structure and hydraulic losses the blade has been modified and a numerical study of the flow in the upgraded flowing part has been carried out. The recalculation of the theoretical head characteristic of the model to the full-scale conditions of Kaniv PSPP and the efficiency dependence on discharge in pump mode shows that the developed runner blading provides performance that meets the requirements of the draft proposal for designing of pump-turbine. In the turbine mode, the improvement of the flow structure on the peripheral area of the runner blade led to an increase of its energy qualities: the hydraulic losses in the guide vanes practically did not change, the losses in the runner at the optimum operation decreased by 0,65 %.