Підвищення ефективності робочих коліс радіально-осьових гідромашин на основі математичного моделювання течії рідини в проточній частині - Автореферат

При рішенні питань проектування проточних частин (ПЧ) гідротурбін і оборотних гідромашин широко використовують розрахункові та експериментальні методи дослідження. Це дозволяє впроваджувати в інженерну практику автоматизовані системи проектування гідромашин, зокрема підсистеми проектування лопатевих систем робочого колеса (р.к.) на базі широкого використання ЕОМ. Харків, «Розробити проточну частину оборотної гідромашини ОРО120» (№ ДР 0199U001050); пошуковою НДР ІПМАШ НАН України «Удосконалення елементів проточної частини гідротурбін і оборотних гідромашин з використанням розрахункових методів» (№ ДР 0103U004321), в яких здобувач проводив дослідження як виконавець окремих розділів. • встановити і проаналізувати залежності характеристик робочих коліс радіально-осьових гідромашин від їх геометричних параметрів з метою підвищення енергокавітаційних показників проточної частини на задані розрахункові параметри; Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що для потреб підприємств гідромашинобудування розроблено комплекси програм для проектування та прогнозування енергокавітаційних характеристик робочих коліс радіально-осьових гідромашин; отримано кількісну та якісну оцінку впливу геометричних параметрів лопатевої системи робочих коліс оборотної гідромашини на енергокавітаційні показники, що дає можливість мінімізувати гідравлічні втрати на етапі проектування проточної частини.Дослідження впливу геометричних параметрів просторових решіток робочого колеса на енергетичні характеристики гідромашин наведено в роботах Етінберга І.Е., Раухмана Б.С., Жарковського О.А., Количева В.О., Федорова О.В. та інших. Актуальною є задача створення геометричної моделі робочого колеса, що дозволяє оптимізувати геометричні параметри р.к. на основі мінімізації розрахункових втрат, і реалізація запропонованих методів у вигляді алгоритмів і програм. У другому розділі наведено геометричну модель лопатевої системи робочого колеса і модель гідравлічних втрат в ній, що призначені для чисельного дослідження впливу геометричних параметрів на енергокавітаційні показники та застосування оптимізаційних методів при проектуванні р.к. Проектування лопатевої системи робочого колеса і чисельне дослідження її характеристик здійснюється шляхом сумісного рішення оберненої та прямої задач обтікання решіток профілів, що базуються на прийнятих моделях течії, гідравлічних втрат і геометричної моделі р.к. · кути виходу потоку в турбінному режимі дорівнюють геометричним кутам лопаті на всмоктувальній кромці; кут виходу потоку в насосному режимі визначається по геометричному куту на напірній кромці з урахуванням відставання потоку.Дисертаційна робота присвячена рішенню науково-практичної задачі підвищення ефективності проточної частини радіально-осьових гідромашин за рахунок зниження втрат в робочому колесі на основі оптимізації його геометричних параметрів. Проведений аналіз літературних джерел, присвячених гідродинамічним розрахункам, показав, що подальше вдосконалення ПЧ гідромашин вимагає інформації про вплив геометричних параметрів робочих коліс на їх показники. Для вирішення поставленої задачі на основі уточненої геометричної моделі лопатевої системи робочого колеса, а також моделі гідравлічних втрат розроблено універсальну методику, що дозволяє автоматизувати проектування лопатевої системи робочих коліс радіально-осьових гідромашин низької та середньої швидкохідності. Розроблено комплекси програм для проектування лопатевих систем робочих коліс оборотних гідромашин і гідротурбін радіально-осьового типу, які базуються на прийнятих моделях і методах.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Дисертаційна робота присвячена рішенню науково-практичної задачі підвищення ефективності проточної частини радіально-осьових гідромашин за рахунок зниження втрат в робочому колесі на основі оптимізації його геометричних параметрів. Основні результати та висновки: 1. Проведений аналіз літературних джерел, присвячених гідродинамічним розрахункам, показав, що подальше вдосконалення ПЧ гідромашин вимагає інформації про вплив геометричних параметрів робочих коліс на їх показники. Знання таких закономірностей дає можливість вирішити задачу оптимізації геометричних параметрів р.к. на стадії проектування.

2. Для вирішення поставленої задачі на основі уточненої геометричної моделі лопатевої системи робочого колеса, а також моделі гідравлічних втрат розроблено універсальну методику, що дозволяє автоматизувати проектування лопатевої системи робочих коліс радіально-осьових гідромашин низької та середньої швидкохідності. Підвищення ефективності р.к. одержано за рахунок оптимізації їх геометричних параметрів.

3. Розроблено комплекси програм для проектування лопатевих систем робочих коліс оборотних гідромашин і гідротурбін радіально-осьового типу, які базуються на прийнятих моделях і методах.

4. З використанням комплексу програм спроектовано, чисельно і експериментально досліджено модель проточної частини оборотної гідромашини ОРО 120/5237 на напір Н=120 м. Порівняння розрахункових енергокавітаційних характеристик в турбінному і насосному режимі роботи з експериментальними даними дозволяє зробити висновок, що результати, одержані по запропонованих в роботі методах проектування і дослідження р.к., мають високу достовірність, достатню для практичного використовування.

5. За допомогою чисельного експерименту одержано дані щодо впливу основних геометричних параметрів решіток робочого колеса на розрахункові характеристики, які дозволяють оптимізувати енергокавітаційні показники в турбінному і насосному режимах роботи.

6. Застосування методики чисельного моделювання впливу геометричних параметрів р.к. на його енергетичні та кавітаційні показники дозволило розробити робочі колеса високонапірних гідротурбін серії РО500, розрахункові кінематичні, енергетичні та кавітаційні характеристики яких кращі, ніж у номенклатурного р.к. РО 500/3502.

7. В результаті розрахунку тривимірної вязкої течії рідини в проточній частині високонапірної гідротурбіни РО 500 одержано нові дані щодо характеру просторового потоку, величинах втрат в окремих елементах та у всій проточній частині і запропоновано метод аналізу гідравлічних втрат.

8. Порівняння результатів розрахунку гідравлічних втрат і кавітаційного коефіцієнта робочих коліс гідротурбіни, одержаних за допомогою двовимірного і тривимірного методів, показує задовільний збіг результатів, що підтверджує правомірність використання запропонованих методів і програмного комплексу для проектування р.к. високонапірних радіально-осьових гідротурбін.

9. Розроблений комплекс програм, що базується на запропонованій геометричній моделі робочого колеса, оптимізації його параметрів шляхом мінімізації втрат в розрахунковій режимній точці, був використаний при проектуванні робочих коліс гідромашин на параметри ГЕС Каменг та ГАЕС на напір Н=120 м.

1. Федулов Ю.И. Разработка и исследование моделей обратимых гидромашин ОРО 120/ Ю.И. Федулов, В.Н. Дедков, П.Н. Сухоребрый, Е.С. Агибалов, О.Н. Хорев // Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання: Зб. наук. праць. - Харків: ІПМАШ НАН України. - 1997. - С. 435-437.

Здобувач виконав проектування та чисельне дослідження енергокавітаційних показників лопатевої системи робочих коліс оборотної гідромашини на напір Н=120 м.

2. Дедков В.Н. Проектирование рабочих колес обратимых радиально-осевых гидромашин с улучшенными энергокавитационными характеристиками/ В.Н. Дедков, О.Н. Хорев // Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання. - Харків: ІПМАШ НАН України. - 2000. - С. 487-489.

Здобувачем розроблено ряд алгоритмів і програм для проектування та дослідження робочих коліс оборотних гідромашин.

3. Дедков В.Н. Автоматизация профилирования рабочих колес радиально-осевых гидротурбин / В.Н. Дедков, О.Н. Хорев // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2002. - т.10, №9. - С. 29-35.

Здобувач виконав адаптацію методів і програм, що застосовувались раніше при дослідженні робочих коліс оборотних гідромашин, для проектування та розрахунків характеристик робочих коліс високонапірних гідротурбін. Провів тестові розрахунки.

4. Дедков В.Н. Влияние геометрических параметров лопастной системы на энергокавитационные показатели рабочих колес обратимых гидромашин / В.Н. Дедков, О.Н. Хорев // Удосконалювання турбоустановок методами математичного і фізичного моделювання: Зб. наук. праць. - Харків: ІПМАШ НАН України. - 2003. - т.2. - С. 595-597.

Здобувач виконав розрахунки та аналіз впливу деяких геометричних параметрів лопатевої системи робочих коліс оборотних гідромашин на енергокавітаційні показники.

5. Барлит В.В. Разработка рабочих колес радиально-осевых высоконапорных гидротурбин РО500 на основе численного эксперимента (CAD) / В.В. Барлит, В.В. Бородаевский, М.В. Денисов, В.Н. Дедков, О.Н. Хорев, В.А. Колычев, К.А. Миронов, И.И. Тыньянова, В.К. Панде, В.С. Рао, Л.К. Харвани // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2002. - т.2, №9. - С. 17-24.

Виконав дослідження характеристик лопатевих систем робочих коліс радіально-осьових гідротурбін на напір 500 м, які отримано по запропонованих в дисертації методах, та порівняння їх з показниками робочих коліс, що були спроектовані за іншими методами.

6. Барлит В.В. Разработка и совершенствование гидротурбины РО500 на основе численного моделирования течения в проточной части / В.В. Барлит, В.Н. Дедков, О.Н. Хорев, В.С. Рао, Л.К. Харвани // Вісник Національного технічного університету «ХПІ». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2004. - №11.- С. 23-30.

Здобувач провів аналіз результатів розрахунку тривимірного вязкого потоку в проточній частині гідротурбіни РО 500 та порівняння з розрахунками за двовимірним методом.

7. Дедков В.Н. Улучшение энергетических показателей высоконапорной гидротурбины РО 500 на основании расчетных данных CFD / В.Н. Дедков, В.В. Барлит, О.Н. Хорев, В.С. Рао, Л.К. Харвани // Проблемы машиностроения. - Харьков, 2005.- т.8, №1. - С.17-23.

На підставі аналізу розрахункових даних тривимірного вязкого потоку в проточній частині гідротурбіни здобувач запропонував шляхи модифікації лопаті робочого колеса, яка має покращити показники проточної частини за рахунок узгодження течії в робочому колесі та відсмоктувальній трубі.

8. Гнесин В.И. Комплекс программ для расчета радиально-осевых рабочих колес гидромашин/В.И. Гнесин, В.Н. Дедков, О.Н. Хорев // Проблемы машиностроения. - Харьков, 2007.- т.10, №2. - С. 9-14.

Провів порівняння характеристик розроблених робочих коліс радіально-осьових гідромашин з результатами фізичного експерименту та розрахунками за іншими методами.