СТЕНД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ ТЕЧЕНИЯ В ОТСАСЫВАЮЩЕЙ ТРУБЕ ГИДРОТУРБИНЫ

Полезная модель относится к испытательной технике, в частности к устройствам для моделирования режимов течения в отсасывающей трубе гидротурбины и может быть использована для расширения диапазона устойчивой и надежной эксплуатации ГЭС, в том числе в области неоптимальных режимов работы гидротурбины.
Известной проблемой, приводящей к снижению эффективности и безопасности работы гидроагрегата, является формирование вихревого жгута в конусе отсасывающей трубы гидротурбины. Вихревой жгут порождает сильные периодические пульсации давления, а из-за присутствия поворотного колена в конструкции отсасывающей трубы пульсации распространяются по всему проточному тракту гидротурбины. В связи с этим необходимо разрабатывать методики, позволяющие предсказывать и прогнозировать развитие данного эффекта при нерасчетных режимах работы гидроагрегата.
В настоящее время основным инструментом для проектирования и оптимизации геометрии отсасывающих труб гидротурбин являются методы компьютерного моделирования (CFD), но неоднозначность выбора моделей турбулентности в закрученном потоке не дают должной уверенности в результатах расчетов. Вследствие чего проводят дополнительную верификацию численных кодов на основе эмпирических данных. Проведение детальных экспериментальных исследований на натурных турбинах невозможно или представляет собой большую сложность. Выходом из этой ситуации является использование уменьшенных лабораторных моделей [Алексеенко С.В., Дектерев А.А., Литвинов И.В., Минаков А.В., Пылев И.М., Шандро А.И., Шторк С.И. Численное и экспериментальное моделирование течения в отсасывающей трубе гидротурбины // Журнал Сибирского федерального университета. Серия «Техника и технологии». 2011. №5. С. 489-503; Скрипкин С.Г., Цой М.А., Шторк С.И. Экспериментальное исследование формирования двойного перцессирующего вихревого жгута в модельных отсасывающих трубах // Вестник Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2015. Т. 10, вып. 2. С. 73-82; Скрипкин С.Г., Куйбин П.А., Шторк С.И. Влияние инжекции воздуха на параметры закрученного течения в модели отсасывающей трубы TURBINE-99 // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, вып. 13. С. 48-55].
При этом в связи с широким развитием численных методов на первый план выходит не задача непосредственного перенесения результатов, полученных на модельной установке, на натурные условия, а возможность провести верификацию численных методов в большом диапазоне изменения параметров течения. Такой диапазон может быть обеспечен при проведении экспериментального моделирования, где модели являются упрощенными, но, тем не менее, повторяют все особенности натурной проточной части гидротурбины. Для достоверности эксперимента важно также не вносить существенных возмущений в поток, т.е. использовать бесконтактные методы исследования.
В работах [Bosioc A., Tanasa С., Susan-Resiga R., Muntean S. 2D LDV Measurements of Swirling Flow in a Simplified Draft Tube // Conf. Model. Fluid Flow. 2009; Chen Chang-Kun, Nicolet Christophe, Yonezawa Koichi, Farhat Mohamed, Avellan Francois, Miyazawa Kazuyoshi, Tsujimoto Yoshinobu. Experimental Study and Numerical Simulation of Cavity Oscillation in a Diffuser with Swirling Flow // Int. J. Fluid Mach. Syst. Korean Fluid Machinery Association. 2010. Vol. 3, №1. P. 80-90; Susan-Resiga R., Muntean S., Tanasa C., Bosioc A. Hydrodynamic Design and Analysis of a Swirling Flow Generator // Proc. 4th Ger. - Rom. Work. Turbomach. Hydrodyn. (GRoWTH). Stuttgart, 2008] показана возможность физического моделирования без воспроизведения геометрии всего тракта гидротурбины (спиральной камеры, статорных колонн, направляющего аппарата).
Еще одним существенным упрощением при экспериментальном моделировании является замена водной среды на воздушную [Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1974. 480 с.; Nishi Michihiro, Yano Masahiro, Miyagawa Kazuyoshi. A preliminary study on the swirling flow in a conical diffuser with jet issued at the center of the inlet // Sci. Bull. «Politehnica» Univ. Timisoara Trans. Mech. 2007. Vol. 52 (66). P. 198-202]. Это позволяет производить монтаж установки, не сталкиваясь с проблемой надежной герметизации соединений, и оперативно вносить изменения в геометрию отсасывающей трубы.
Известен стенд [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], содержащий корпус, сервопривод, входные патрубки, сопло Витошинского, выравнивающую сетку (решетку), статор, ротор, подшипники, центрующий фланец, конус отсасывающей трубы, тело обтекания.
3
Подача воздуха в модель отсасывающей трубы осуществлялась с помощью воздуходувки МТ-М1С-7.5 (Qmax=550 м/ч, Р=0,4 бар - максимальные значения для воздуходувки без нагрузки). Частота вращения ротора задавалась сервоприводом СПШ10-3410, который обеспечивал точное задание частоты вращения рабочего колеса в пределах от 0 до 3000 об./мин. Все управление стендом осуществлялось с помощью компьютера. Благодаря специальному программному обеспечению можно было поддерживать заданный режим в течение необходимого времени с погрешностью 1,5 и 0,5% для выставления расхода Q и частоты вращения ротора (рабочего колеса) n соответственно. Поток перед статором выравнивался с помощью системы решеток. Более равномерному распределению потока способствовало также сопло Витошинского.
В конусе модели отсасывающей трубы часть стенки была заменена стеклянным прямоугольным окном, для доступа измерительных лучей лазерно-допплеровского анемометра (ЛДА). Для работы ЛДА нужно было обеспечить в потоке необходимое количество трассеров, поэтому в воздушный поток подавался аэрозоль парафинового масла со средним диаметром частиц 1-3 мкм.
Для измерения пульсаций давления использовались акустические датчики: измерительный шумомер Туре 2250 фирмы «Bruel&Kjaer», а также измерительные микрофоны Behringer ЕСМ8000. На сменном конусе без оптического доступа были изготовлены отверстия диаметром 12 мм для ввода акустических датчиков заподлицо со стенками. Сигналы опрашивались с помощью АЦП L-Card Е-440.
Недостатками стенда является 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. Еще одним недостатком является отсутствие возможности повысить частоту оборотов ротора и расхода воздуха за счет высокого гидродинамического сопротивления подводящих патрубков.
Задача полезной модели заключается в создании стенда с улучшенными характеристиками потока за счет изменения способа передачи крутящего момента, подводимого к ротору, а также расширения диапазона управляющих параметров стенда.
Технический результат заключается в улучшении характеристик потока, натекающего на пару ротор-статор и расширении управляющих параметров стенда: объемного расхода воздуха, частоты вращения ротора. Также улучшается равномерность потока, натекающего на пару ротор-статор, появляется возможность варьировать его уровень турбулентности.
Появляется возможность исследования активных и пассивных способов управления потоком в проточной части модели гидротурбины за счет применения неподвижного вала и тела обтекания по центру пары ротор-статор.
Технический результат достигается в стенде для моделирования режимов течения в отсасывающей трубе гидротурбины, включающем корпус стенда, в котором установлены выравнивающая сетка, сопло Витошинского, две лопаточные решетки - ротор и статор, неподвижный вал и тело обтекания, жестко связанные друг с другом и статором и установленные по центру пары ротор-статор, корпус статора, обеспечивающий крепление статора к корпусу стенда, подшипники, удерживающие корпус ротора и, таким образом, центрирующие ротор в корпусе стенда, фланец, обеспечивающий крепление конуса отсасывающей трубы к корпусу стенда, причем на внешней поверхности корпуса ротора выполнена профилированная канавка, в которой размещен осуществляющий вынужденное вращение ротора приводной ремень.
3
Моделирование распределения скорости, близкого к распределению за реальной гидротурбиной, осуществляется с помощью системы двух лопаточных решеток. Одна из решеток располагается неподвижно (статор) и выполняет функцию спиральной камеры и направляющего аппарата гидротурбины (на нее равномерно натекает поток с объемным расходом Q, м/ч). Вторая решетка - ротор, вынужденно вращается с частотой n (об/мин), являясь аналогом рабочего колеса гидротурбины.
Техническое решение поясняется фиг. 1, где:
1 - корпус стенда, 2 - выравнивающая сетка, 3 - сопло Витошинского, 4 - подшипники, 5 - центрующий фланец, 6 - конус отсасывающей трубы, 7 - тело обтекания, 8 - ротор, 9 - ременной привод ротора, 10 - статор, 11- неподвижный вал.
На фиг. 2 показаны пара ротор-статор, где:
7 - тело обтекания, 8 - ротор, 10 - статор, 11 - неподвижный вал, 12 - корпус статора, 13 - корпус ротора.
Основное отличие от ранее представленной установки заключается в отсутствии приводного вала, который в данной конструкции заменен ременным приводом 9. Это позволило за счет использования шкивов с различным передаточным числом увеличить обороты ротора 8 до 6000 оборотов в минуту. Приводной вал ранее позволял добиться скорости в 3000 оборотов в минуту. При использовании приводного вала приходилось использовать входные патрубки, которые давали неравномерность распределения скорости на входе в пару ротор-статор.
3
3
Отсутствие приводного вала и входных патрубков улучшает характеристики потока воздуха, натекающего на пару ротор-статор. Теперь, при другом устройстве передачи момента вращения, можно организовать поток воздуха более равномерным, при этом будет снижен уровень турбулентности, значит при использовании различных решеток можно этот уровень варьировать. Так же, за счет отсутствия приводного вала, отпадает надобность в подводящих патрубках, что приводит к снижению гидродинамического сопротивления проточного тракта. Таким образом можно увеличить объемный расход через установку притом же перепаде  давления. Что позволило увеличить объемный расход с 260 м/ч до 300 м/ч (увеличение составит 15.4%).
За счет применения неподвижного вала 11 по центру пары ротор-статор появляется возможность исследования активных и пассивных способов управления потоком в проточной части модели гидротурбины, вокруг тела обтекания 7.
В корпусе 1 установлена выравнивающая сетка 2 и за ней профилированное сопло Витошинского 3 (см. фиг. 1). Подшипники 4 удерживают корпус ротора 13 и, таким образом, центрируют ротор 8 в корпусе 1. Фланец 5 служит креплением для конуса 6, а также опорой для подшипника 4. Корпус статора 12 центрирует статор 10 внутри корпуса 1 и жестко удерживает геометрию лопаток статора 10. Неподвижный вал 11 жестко соединен со статором 10 и телом обтекания 7 и имеет небольшой зазор с ротором 8. Неподвижный вал 11 может быть, как цельным, так и пустотелым и позволяет присоединять тело обтекания 7 различной геометрической формы. Тело обтекания 7 оказывает влияние на закрученный поток после пары ротор-статор.
Подача поток воздуха осуществляется, как и в прототипе, с помощью внешнего устройства - воздуходувки.
Поток, проходя через сетку 2, попадает на профилированное сопло Витошинского 3 со степенью поджатая 3 (отношение входного диаметра к выходному). Применение профилированного сопла позволяет выровнять скорости в потоке воздуха, формируется равномерное распределение скорости в потоке. Далее поток поступает на пару ротор-статор (8, 10), установленные в корпусе 1.
Вращение ротора 8 осуществляется через ременной привод 9, который проходит через профилированную канавку на корпусе ротора 13. Далее ремень проходит через шкив с аналогичной канавкой. Шкив закреплен на валу внешнего устройства - электродвигателя, который в свою очередь закреплен на раме. Таким образом, момент от электродвигателя через шкив и ремень передается на ротор и приводит его во вращение. Применяя шкивы различного диаметра, можно изменять передаточное число, которое определяется как отношение диаметра ротора к диаметру шкива. Электродвигатель подключен к системе управления, которая позволяет задавать и контролировать обороты двигателя с высокой точностью. Таким образом можно точно знать число оборотов ротора 8.
Варьируя поток воздуха Q, а также частоту вращения ротора n, профиль ротора и статора, можно варьировать характеристики потока в проточной части модели гидротурбины.