Комплекс экспериментального моделирования распределения скорости в гидротурбинах Российский патент 2021 года по МПК F03B15/02 F03B15/08 

Изобретение относится к устройствам, моделирующим вихревые течения в гидротурбинах для проведения испытаний и выработки режимов работы гидротурбин с высоким коэффициентом полезного действия. Устройство воспроизводит режимы течения реальной гидротурбины и позволяет проводить измерения распределений скоростей, что, во-первых, позволяет оптимизировать работу реальных гидротурбин, и, во-вторых, востребовано в численных расчётах, которые проводятся для разработки конструкций и оптимизации режимов для увеличения КПД гидротурбины. Для верификации пакетов программ численных расчетов нужны достоверные экспериментальные данные о структуре течения, которые невозможно получить на реальном гидроагрегате. 

При использовании тепловых и атомных электростанций с низкой скоростью изменения мощности, а также внедрении ветряных, солнечных электростанций, на гидроэлектростанции для поддержания стабильной работы электрической сети ложится регулирующая роль. При работе гидротурбин в неоптимальных режимах, необходимых для регулирования сети или при запуске гидроагрегатов поток за рабочим колесом гидротурбины на входе в отсасывающую трубу имеет высокую остаточную закрутку, что приводит к формированию в потоке нежелательных крупномасштабных вихревых структур, которые являются источником вибрации в гидроагрегате и снижают эффективность его работы.

Развитие методов контроля и управления подобными нестационарными явлениями с целью повышения эффективности и надежности работы гидроагрегатов невозможно без четкого представления структуры течения в различных режимах работы гидротурбины. Также получение количественной информации о структуре течения за рабочим колесом гидротурбины необходимо с точки зрения развития методов вычислительной гидродинамики (CFD) и для дальнейшего развития аналитических подходов при описании многофазных закрученных потоков при наличии крупномасштабных вихревых структур.

Ввиду невозможности получения экспериментальных данных на натурных гидротурбинах используют методы экспериментального моделирования, главной задачей которых является воспроизведение структуры потока в модельных условиях, другими словами, очень важно воспроизвести распределения скоростей за рабочим колесом гидротурбины в различных эксплуатационных режимах.

Известна модель рабочего колеса радиально - осевой гидротурбины, патент SU714469 (A1) - 1980-02-05, в которой модель рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины была снабжена криволинейным брусом, установленным на втулке и снабженным винтовыми упорами, на концах которых шарнирно закреплены вилки для захвата выходных кромок лопастей. Недостатком данной модели является возможность изменять только геометрию лопастей.

В [J. Cassidy, Experimental Study and Analysis of Draft-Tube Surging, Denver, Report No. HYD-591, U.S. Bureau of Reclamation, 1969] разработано устройство для моделирования течения в гидроагрегате, использующее воздух в качестве рабочей среды. Также вместо вращающегося рабочего колеса использовался набор стационарных лопаток с возможностью регулирования угла, что значительно ограничивает диапазон режимов течения. В работе не продемонстрировано подобие профилей скорости с реальными профилями за рабочим колесом гидроагрегатов. На стенде невозможно воспроизводить двухфазные кавитационные явления, возникающие при работе гидротурбин.

Известен автоматизированный воздушный стенд для моделирования течения в гидротурбинах с возможностью контролировать частоту вращения рабочего колеса [Куйбин П. А., Литвинов И. В., Сонин В. И., Устименко А. С., Шторк С. И. Моделирование условий закрученного потока на входе в отсасывающую трубу для различных режимов работы гидротурбины // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2016. Т. 11, № 1. С. 56-65; Litvinov, I., Shtork, S., Gorelikov, E., Mitryakov, A. and Hanjalic, K., Unsteady Regimes and Pressure Pulsations in Draft Tube of a Model Hydro Turbine in a Range of Off-Design Conditions, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 91, no. April 2017, pp. 410-22]. Недостатками данного устройства является использование воздуха в качестве рабочей среды, отсутствие кавитации и возможности воспроизводить гидроакустические явления. Недостатками стенда является также передача крутящего момента ротору с помощью вала по центру. При этом возникают технические трудности, связанные с балансировкой вала. Также при таком способе поток на вход рабочего участка приходится заводить с помощью патрубков, а затем выравнивать с помощью специальных решеток. Требование равномерности потока важно выдерживать для использования численных методов расчета течения в гидроагрегатах. Низкие по сравнению с водой числа Рейнольдса. Еще одним недостатком является отсутствие возможности повысить частоту оборотов ротора и расхода воздуха за счет высокого гидродинамического сопротивления подводящих патрубков.

В работах [Muntean, S., Ruprecht, A. and Susan-Resiga, R., Development of a Swirling Flow Apparatus for Analysis and Development of Swirling Flow Control, 3rd GERMAN-ROMANIAN WORKSHOP on TURBOMACHINERY HYDRODYNAMICS, 2007; Muntean, S., Tănasă, C., Bosioc, A. I. and Moş, D. C., Investigation of the Plunging Pressure Pulsation in a Swirling Flow with Precessing Vortex Rope in a Straight Diffuser, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 49, no. 8, p. 082010, 2016; Muntean, S., Susan-Resiga, R. and Bosioc, A., Pressure Measurements in a Conical Diffuser with Swirling Flow and Axial Jet Control, Center for Advanced Research in Engineering Sciences, National Center for Engineering of Systems with Complex Fluids, vol. 2, no. 1, 2008; Tanasa, C., Bosioc, A., Susan-Resiga, R. and Muntean, S., Flow-Feedback for Pressure Fluctuation Mitigation and Pressure Recovery Improvement in a Conical Diffuser with Swirl, International Journal of Fluid Machinery and Systems, vol. 4, no. 1, pp. 47-56, 2011; Susan-Resiga, R., Muntean, S., Hasmatuchi, V., Anton, I. and Avellan, F., Analysis and Prevention of Vortex Breakdown in the Simplified Discharge Cone of a Francis Turbine, Journal of Fluids Engineering, vol. 132, no. 5, p. 051102, 2010.] используется экспериментальный стенд для анализа закрученного потока в коническом диффузоре. Основное назначение установки - воспроизвести поле течения, характерное для конического диффузора, с замедленным закрученным потоком и развитием вихревого жгута характерного для течения в реальных гидротурбинах. Установка, разработана в Лаборатории гидравлического оборудования Политехнического университета Тимишоара. Показана возможность физического моделирования без воспроизведения геометрии всего тракта гидротурбины (спиральной камеры, статорных колонн, направляющего аппарата). В качестве модельной гидротурбины используется генератор закрутки потока, состоящий из неподвижного и свободновращающегося завихрителей. Главным отличием и недостатком является отсутствие возможности контролировать и управлять частотой вращения подвижного завихрителя, что позволяет воспроизводить только режимы течения с фиксированной закруткой потока.

Известна модельная гидротурбина, рассчитанная на расходы до 150 м³/ч [Kirschner, O., Ruprecht, A. and Göde, E., Experimental Investigation of Pressure Pulsation in a Simplified Draft Tube, 3rd IAHR International Meeting of the Workgroup on Cavitation and Dynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems, Brno, Czech Republic, no. January, pp. 55-64, 2009; Kirschner, O., Ruprecht, A., Göde, E. and Riedelbauch, S., Experimental Investigation of Pressure Fluctuations Caused by a Vortex Rope in a Draft Tube, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 15, no. PART 6, p. 062059, 2012.]. Главным недостатком устройства является отсутствие плоских внешних стенок у конической части отсасывающей трубы, что не позволяет ввиду значительных оптических аберраций проводить достоверные измерения скоростей, необходимые для верификации численного моделирования CFD.

Выбранной в качестве прототипа является работа [Muntean, S., Ruprecht, A. and Susan-Resiga, R., Development of a Swirling Flow Apparatus for Analysis and Development of Swirling Flow Control, 3rd GERMAN-ROMANIAN WORKSHOP on TURBOMACHINERY HYDRODYNAMICS, 2007].

Достигаемый технический результат:

- способность воспроизводить режимы течений реальных гидротурбин с минимальным возмущением потока;

- возможность моделировать двухфазные кавитационные явления с широким диапазоном частоты оборотов ротора, обеспечивающим высокую степень закрутки потока, с возможностью проводить измерения параметров потока в любом сечении.

Технический результат достигается следующим образом.

Комплекс экспериментального моделирования распределения скорости в гидротурбинах, имеющий модель гидротурбины, состоящую из двух лопаточных завихрителей, один их них - стационарный лопаточный завихритель, а другой - принудительно вращающийся лопаточный завихритель, который вращается на валу внутри трубы, конического прозрачного рабочего участка измерения скорости, моделирующего коническую часть отсасывающей трубы гидротурбины,

двигатель, передающий вращательный момент завихрителю,

электромагнитный расходомер,

подающий насос и вакуумный насос,

частотный преобразователь ABB ACS880 для управления двигателем,

частотный преобразователь DELTA CP2000 для управления подающим насосом

отличающийся тем, что конический прозрачный участок имеет плоские внешние стенки, принудительно вращающийся лопаточный завихритель соединен с двигателем посредством магнитной муфты, что предотвращает внесение возмущений в поток, электромагнитный расходомер имеет обратную связь с частотным преобразователем DELTA CP2000, управляющим работой подающего насоса Ebara 3LMH 80-160/18.5, что позволяет работать в режиме постоянного расхода, несмотря на изменение внешних параметров: уменьшение или увеличение вязкости из-за изменения температуры, изменение гидравлического сопротивления из-за формирования вихрей, а регистрация поля скорости осуществляется двухкомпонентной системой лазерно-доплеровского анемометра - “ЛАД 06-и” на базе полупроводникового лазера Mitsubisi ML1013R с длиной волны 684 нм и мощность 70 мВт.

На фигуре 1 представлена фотография основного элемента вертикального кавитационного стенда - рабочий участок.

На фигуре 2 представлена 3D-модель устройства, позволяющего создавать различные распределения скоростей, где:

1 - стационарный лопаточный завихритель;

2 - магнитная муфта, обеспечивающая бесконтактную передачу вращательного момента от двигателя нижнему лопаточному завихрителю;

3 - принудительно вращающийся лопаточный завихритель;

4 - прозрачный рабочий участок, моделирующий коническую часть отсасывающей трубы гидротурбины,

5 - двигатель, позволяющий вращать лопаточный завихритель с необходимой скоростью.

На фигуре 3 представлена геометрия 3D-модели закручивающего устройства, установленного на входе отсасывающей трубы

На фигуре 4 представлена упрощенная схема гидродинамического контура, 4 - рабочий участок, 5 - двигатель, 6 - вакуумный насос 7 - частотный преобразователь для подающего насоса, 8 - подающий насос, 9 - электромагнитный расходомер, 10 - частотный преобразователь для двигателя, 11 - Лазерный-доплеровский анемометр для измерений скорости потока.

На фигуре 5 представлена визуализация структуры течения, соответствующая форсированному режиму модельной турбины, расход воды через турбину Q = 70 м³/ч, скорость вращения рабочего колеса N = 200 об/мин.

На фигуре 6 представлена визуализация структуры течения, соответствующая оптимальному режиму модельной турбины, расход воды через турбину Q = 70 м³/ч, скорость вращения рабочего колеса N = 400 об/мин.

На фигуре 7 представлена визуализация структуры течения, соответствующая верхнему диапазону режима частичной нагрузки модельной турбины, расход воды через турбину Q = 70 м³/ч, скорость вращения рабочего колеса N = 500 об/мин.

На фигуре 8 представлена визуализация структуры течения (двойной вихрь), соответствующая режиму частичной нагрузки модельной турбины, расход воды через турбину Q = 70 м³/ч, скорость вращения рабочего колеса N = 600 об/мин.

На фигуре 9 представлена визуализация структуры течения, соответствующая режиму частичной нагрузки модельной турбины, расход воды через турбину Q = 70 м³/ч, скорость вращения рабочего колеса N = 650 об/мин.

На фигуре 10 представлена визуализация структуры течения, соответствующая режиму очень слабой нагрузки модельной турбины, расход воды через турбину Q = 70 м³/ч, скорость вращения рабочего колеса N = 900 об/мин.

На фигуре 11 представлено сечение рабочего участка и указаны направления скоростей при измерении лазерным-доплеровским анемометром вдоль пунктирной линии.

На фигуре 12 показано распределение тангенциальной компонент скорости W при различных расходах жидкости относительно оптимального режима Q₀.

На фигуре 13 показано распределение осевой компоненты скорости U при различных расходах жидкости относительно оптимального режима Q₀.

На фигуре 14 представлено сопоставление распределений скоростей полученные с использованием разработанной системы лопаточных завихрителей с данными из работы [O. Sadbakov, V. Okulov, I. Naumov, V. Meledin, Y. Anikin, N. Mostovsky, S. Il’in, Laser Doppler Diagnostics of Flow Structure Downstream of Hydroturbine Blade Wheel at Optimal and Forced Loads, Thermophys. Aeromechanics. 11, 561-566, 2004.] за колесом реального гидроагрегата.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Основным элементом модельной гидротурбины является коническая отсасывающая труба и система из двух лопаточных завихрителей, установленная на ее входе. Один из завихрителей может осуществлять вращение вокруг своей оси, что добавляет еще один важный параметр помимо объемного расхода. Оснащение системой контроля вращения завивихрителя позволило посредством магнитной муфты через ременную передачу бесконтактно передавать вращательный момент от двигателя внутрь герметичного контура на завихритель. Такая система позволяет управлять частой вращения рабочего колеса в диапазоне от 0 до 2000 оборотов в минуту с погрешностью менее 0,5%. В свою очередь подающий насос 3LMH 80-160/18.5 фирмы Ebara, мощностью 18 кВт обеспечивает максимальный расход в замкнутом контуре до 200 м³/ч. Контроль расхода обеспечивается работой электромагнитного расходомера “Взлет ЭРСВ 440” с относительной погрешностью измерения 1%. Система обратной связи расходомера и частотного преобразователя, управляющего работой насоса, позволяет работать в режиме постоянного расхода, несмотря на изменение внешних параметров: уменьшение или увеличение вязкости из-за изменения температуры, изменение гидравлического сопротивления из-за формирования вихрей и т.д.

Равномерность профиля скорости на входе в закручивающее устройство обеспечивалась прямым участком трубопровода длиной более 30 калибров. Распределение скорости, близкое распределению за завихрителем реальной турбины, достигается использованием комбинации стационарного и вращающегося с наперед заданной скоростью завихрителя. Регулирование скорости вращения и расхода позволило покрыть более 110 рабочих режимов, что является основным отличием от работ [Muntean, S., Ruprecht, A. and Susan-Resiga, R., Development of a Swirling Flow Apparatus for Analysis and Development of Swirling Flow Control, 3rd GERMAN-ROMANIAN WORKSHOP on TURBOMACHINERY HYDRODYNAMICS, 2007; Muntean, S., Susan-Resiga, R. and Bosioc, A., Pressure Measurements in a Conical Diffuser with Swirling Flow and Axial Jet Control, Center for Advanced Research in Engineering Sciences, National Center for Engineering of Systems with Complex Fluids, vol. 2, no. 1, 2008], в которых в схожей конфигурации исследовался режим свободного вращения (“free runner”) когда завихритель вращается без нагрузки только за счет напора воды. В этой связи стоит отметить работы Литвинова и др. [Litvinov, I., Shtork, S., Gorelikov, E., Mitryakov, A. and Hanjalic, K., Unsteady Regimes and Pressure Pulsations in Draft Tube of a Model Hydro Turbine in a Range of Off-Design Conditions, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 91, no. April 2017, pp. 410-22], в которых использовалась схожая комбинация стационарного завихрителя и подвижного рабочего колеса, однако авторы использовали воздушную среду вместо воды, а скорость вращения рабочего колеса регулировалась сервоприводом, вал которого находился внутри потока и мог являться дополнительным источником возмущений.

При фиксированном расходе жидкости увеличение скорости вращения с нуля приводит вначале к уменьшению закрутки потока, затем происходит переход через точку нулевой крутки - разворот потока и монотонное увеличение крутки с ростом скорости вращения. Если мы, наоборот, фиксируем скорость вращения, то параметр крутки будет увеличиваться с уменьшением расхода через завихритель.

В отличие от режимных параметров в реальных гидротурбинах (расход, напор, скорость вращения рабочего колеса, угол открытия направляющего аппарата) соответствующих оптимальному режиму (с максимальным КПД) в данной работе используются скорость вращения и расход относительно режима с нулевой закруткой потока. Показано, что оптимальный режим работы гидротурбины и режим с нулевой круткой лежат приемлемо близко.

В проводимых исследованиях использовалась двухкомпонентная система ЛДА - “ЛАД 06-и” на базе полупроводникового лазера Mitsubisi ML1013R с длиной волны 684 нм и мощность 70 мВт, разработанная в ИТ СО РАН и хорошо зарекомендовавшая себя при исследовании закрученных потоков жидкости.

В качестве трассеров в экспериментах использовались полиамидные частицы нейтральной плавучести размерами 20-40 мкм. ЛАД 06-и позволяет измерять поочередно две проекции вектора скорости (тангенциальную и осевую) при перемещении позиционирующего устройства вдоль радиуса от ближней стенки до центральной оси. Так как измерения проводились внутри конического участка при заглублении лазерных лучей за ось камеры, статистика значительно ухудшалась, и в предположении осевой симметрии закрученного потока измерения проводились только в первой половине конуса (фиг. 11) Большинство профилей скорости измерялись только в одном сечении, 50 мм ниже по течению от кончика обтекателя. В некоторых режимах, для более глубокого понимания структуры течения скорость измерялась в вертикальной полуплоскости по высоте от 0 (конец обтекателя) до 75 мм вниз по течению.

Согласно техническому паспорту ЛАД 06-и точность измерения средней скорости составляет 0.5%, что хорошо согласуется с результатами тестовых экспериментов, в которых при фиксированном расходе жидкости в контуре на основе измеренного профиля скорости путем интегрирования рассчитывался расход жидкости. В результате серии из 8 сопоставлений для расходов в диапазоне 40-110 м³/ч установлено, что в худших случаях максимальная разница между измеренным и рассчитанным расходом не превышает 2%, а в среднем находится в пределах 1%. Все ЛДА эксперименты проводились преимущественно в однофазном потоке, в режимах с развитым вихревым жгутом кавитация искусственно подавлялась.

В среднем требуется статистика от 1000 до 10000 вспышек для каждой компоненты скорости.

Распределения скоростей (фиг. 12 и 13) представлены в безразмерном виде через среднерасходную скорость на входе в отсасывающую трубу, это позволяет сравнить различные режимы течения при разных расходах в одном масштабе. Ввиду симметрии конической секции отсасывающей трубы и отсутствии поворотного колена осевая и тангенциальная компоненты скорости измерялись от центральной оси симметрии (r = 0) до стенки (r = R) с равномерным шагом 2мм.

Варьируя расход воды и скорость вращения, можно получить большое многообразие распределений скоростей, которые повторяют распределения скоростей в реальных гидротурбинах. Одним из важных моментов работы, является сопоставление измеренных профилей для осевой скорости с профилями, измеренными за рабочим колесом масштабной модели турбины Френсиса на ЛМЗ, полученными в работе [O. Sadbakov, V. Okulov, I. Naumov, V. Meledin, Y. Anikin, N. Mostovsky, S. Il’in, Laser Doppler Diagnostics of Flow Structure Downstream of Hydroturbine Blade Wheel at Optimal and Forced Loads, Thermophys. Aeromechanics. 11, 561-566, 2004.]. На фиг. 14 приведено сопоставление трех распределений осевой скорости, соответствующих различным рабочим параметрам (расход, скорость вращения рабочего колеса, угол открытия направляющего аппарата). Варьируя расход и скорость вращения рабочего колеса, на упрощенной модели удалось достичь приемлемо близких результатов. Удовлетворительное согласие между экспериментальными данными подтверждает предположение о возможности моделирования широкого диапазона режимов течения, имеющих место в турбинах при различной нагрузке, комбинацией стационарного и вращающегося завихрителей.

Изобретение относится к комплексу экспериментального моделирования распределения скорости в гидротурбинах. Комплекс имеет модель гидротурбины, состоящую из стационарного лопаточного завихрителя 1, принудительно вращающегося на валу внутри трубы лопаточного завихрителя 3, конического прозрачного рабочего участка 4 измерения скорости, моделирующего коническую часть отсасывающей трубы, двигатель 5, передающий вращательный момент завихрителю 3, электромагнитный расходомер, подающий насос и вакуумный насос, частотный преобразователь для управления двигателем 5, частотный преобразователь для управления подающим насосом. Участок 4 имеет плоские внешние стенки, завихритель 3 соединен с двигателем 5 посредством магнитной муфты 2. Расходомер имеет обратную связь с преобразователем, управляющим работой подающего насоса. Регистрация поля скорости осуществляется двухкомпонентной системой лазерно-доплеровского анемометра. Изобретение направлено на обеспечение возможности моделирования широкого диапазона режимов течения, имеющих место в гидтурбинах при различной нагрузке, комбинацией стационарного и вращающегося завихрителей. 14 ил.

Комплекс экспериментального моделирования распределения скорости в гидротурбинах, имеющий модель гидротурбины, состоящую из двух лопаточных завихрителей, один их них - стационарный лопаточный завихритель, а другой - принудительно вращающийся на валу внутри трубы лопаточный завихритель, конического прозрачного рабочего участка измерения скорости, моделирующего коническую часть отсасывающей трубы гидротурбины, двигатель, передающий вращательный момент завихрителю, электромагнитный расходомер, подающий насос и вакуумный насос, частотный преобразователь для управления двигателем, частотный преобразователь для управления подающим насосом, отличающийся тем, что конический прозрачный участок имеет плоские внешние стенки, принудительно вращающийся лопаточный завихритель соединен с двигателем посредством магнитной муфты, что предотвращает внесение возмущений в поток, электромагнитный расходомер имеет обратную связь с частотным преобразователем, управляющим работой подающего насоса, что позволяет работать в режиме постоянного расхода, а регистрация поля скорости осуществляется двухкомпонентной системой лазерно-доплеровского анемометра.