Экспериментальное исследование структуры закрученного течения в лабораторной модели отсасывающей трубы гидротурбины Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 532.5.032

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЗАКРУЧЕННОГО ТЕЧЕНИЯ В ЛАБОРАТОРНОЙ МОДЕЛИ ОТСАСЫВАЮЩЕЙ ТРУБЫ ГИДРОТУРБИНЫ

© С.Г. Скрипкин1, И.В. Литвинов2, С.И. Шторк3

1,2,3Новосибирский государственный университет, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Пирогова, 2. 1,2,3Институт теплофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 1.

Работа посвящена экспериментальному исследованию структуры течения в модели отсасывающей трубы TURBINE-99 (T-99). Цель работы - получение данных о структуре потока в условиях сильной закрутки. С помощью измерения перепадов давления в модели Т-99 была выявлена зона автомодельности числа Eu от Re, что позволило приблизиться к натурным условиям моделирования. Анализ данных, полученных с помощью системы PIV, позволил сделать вывод о том, что в предложенных условиях моделирования (Re ~ 105, S = 1.2) нестационарных эффектов, связанных с неустойчивостью закрученного потока, не наблюдается и скорость в модели неравномерна. Ил. 7. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: отсасывающая труба; гидротурбина; закрученный поток; TURBINE-99; PIV.

EXPERIMENTAL STUDIES OF SWIRLING FLOW STRUCTURE IN HYDROTURBINE DRAFT TUBE LABORATORY MODEL

S.G. Skripkin, I.V. Litvinov, S.I. Shtork

Novosibirsk State University, 2 Pirogov St., Novosibirsk, Russia, 630090. Institute of Thermal Physics SB RAS, 1 Lavrentiev Av., Novosibirsk, Russia, 630090.

The paper reports on experimental studies of the flow structure in the model of a draft tube TURBINE-99 (T-99). The aim of the work is obtaining data on the flow structure under strong swirling conditions. The self-similarity of Eu from Re has been identified by measuring pressure differencies in the model T-99. It allowed to approximate the experiment to natural conditions. The analysis of data obtained from PIV system led to the conclusion that nonstationary phenomena associated with the instability of the swirling flow are not observed in the proposed simulation conditions (Re ~ 105, S = 1.2), and velocity in the model is irregular. 7 figures. 7 sources.

Key words: draft tube; hydroturbine; swirling flow; TURBINE-99; PIV.

Отсасывающие трубы (ОТ) существенно влияют на энергетические и кавитационные показатели гидротурбин, а также на размеры и стоимость всего комплекса ГЭС [1]. При разработке новых гидроагрегатов используются методы численного моделирования, но сложность трёхмерного потока за рабочим колесом и сложность самой формы отсасывающей трубы до сих пор не позволяют разработать единого теоретического подхода для расчёта характеристик ОТ. Для совершенствования таких методов необходимо накопление экспериментальной информации о течении в моделях ОТ. Ещё одной трудностью при разработке новых ОТ является возникновение нежелательных нестацио-

нарных явлений, сильно влияющих на эффективность и безопасность работы гидротурбин. Такие явления могут возникать при неоптимальных режимах работы генератора, когда поток за рабочим колесом остаётся закрученным. В условиях сложного трёхмерного закрученного потока методы численного моделирования не всегда хорошо описывают реальную картину течения, поэтому экспериментальное изучение, включающее визуализацию потока и применение бесконтактного метода Particle Image Velocimetry (PIV), выходит в таких исследованиях на первый план [2, 3].

Целью данной работы является экспериментальное изучение структуры потока в модельной ОТ, вы-

1Скрипкин Сергей Геннадьевич, магистрант НГУ, лаборант Института теплофизики СО РАН, тел.: +7(953) 7858665, e-mail: skryp91@mail.ru

Skripkin Sergey, Master's Degree Student of Novosibirsk State University, Laboratory Assistant of the Institute of Thermal Physics SB RAS, tel.: +7 (953) 7858665, e-mail: skryp91@mail.ru

2Литвинов Иван Викторович, аспирант НГУ, инженер-исследователь Института теплофизики СО РАН, тел.: +7(952) 9262128, e-mail: litv88@yandex.ru

Litvinov Ivan, Postgraduate of Novosibirsk State University, Research Engineer of the Institute of Thermal Physics SB RAS, tel.: +7 (952) 9262128, e-mail: litv88@yandex.ru

Шторк Сергей Иванович, кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией Института теплофизики СО РАН, тел.: (383) 333104, +7(913) 4668438, e-mail: shtork@itp.nsc.ru

Shtork Segey, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Head of the Laboratory of the Institute of Thermal Physics, tel.: (383) 333104, +7 (913) 4668438, e-mail: shtork@itp.nsc.ru

полненной по геометрии Т11РВ!МЕ-99 (Т-99) [4] в условиях сильной остаточной закрутки потока. С использованием системы РМ были получены данные по течению в конической и поворотной частях модели, которые необходимы для верификации численных кодов. Также получены данные по перепадам давления при изменении геометрии поворотного колена. В ходе работы было показано, что при данных условиях моделирования (параметр закрутки 5=1,2; число Рейноль-дса Ив = 1,5105; расход 6 =12,9 л/с) не возникает нестационарных эффектов. Также была выявлена сильная неравномерность потока в канале ОТ.

Экспериментальная установка

Для проведения экспериментального моделирования гидротурбинного оборудования в Институте теплофизики СО РАН (г. Новосибирск) был создан гидродинамический замкнутый контур, состоящий из бака, химического насоса с максимальной производительностью 100 м3/ч и рабочего участка (рис. 1). Прототип модели Т-99 удалось воспроизвести из орг-стеклянных заготовок, что в совокупности с плоскими стенками позволило эффективно использовать бесконтактные оптические методы исследования, такие как РМ и LDA. Ещё одним преимуществом рабочего участка является возможность быстрого внесения изменений в геометрию.

Рис. 1. Рабочий участок модельного замкнутого контура(цифрами обозначены точки отбора давления)

На входе в модельный участок располагается стационарный лопаточный завихритель, осуществляющий закрутку потока, с углом наклона лопаток к оси симметрии ф = 60°. Параметр крутки Б принимал значение 1,2 согласно формуле

5 = 2

3

1 - (^ / У 1 - (^ / У

ъ (ф),

у

где б1 и б2 - внешний и внутренний диаметры; ф - угол наклона лопаток [5].

Визуализация потока осуществлялась с использованием камеры высокоскоростной съёмки «ВидеоСпринт» и постоянного твёрдотельного лазера мощностью 3 Вт. Поток с пузырьками воздуха подсве-

чивался световым «ножом», сформированным из лазерного пучка при помощи цилиндрической линзы. Из-за разницы коэффициентов отражения света между водой и воздухом пузырьки хорошо отражают лазерный луч, визуализируя структуру потока.

Для измерения полей скоростей течения в различных сечениях использовался метод РМ, который относится к классу бесконтактных методов измерения скорости в потоках. В ряду других инструментов для исследования структуры течений он занимает особое место благодаря возможности регистрировать мгновенные пространственные распределения скорости [6]. Данное преимущество является особенно важным при изучении потоков, содержащих крупномасштабные вихревые структуры, информация о которых частично теряется при применении одноточечных методов диагностики. Измерение мгновенного поля скорости потока в заданном сечении основано на измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. В поток жидкости были добавлены частицы малого размера (трассеры). Размер, плотность и объёмная концентрация частиц подбирались таким образом, чтобы эффекты, связанные с присутствием второй фазы и плавучестью частиц, были минимальны.

Экспериментальное моделирование

Многолетний практический опыт показывает, что моделирование является одним из наиболее прогрессивных методов научного исследования, проверки основных принципов, закладываемых в проект сложного инженерного сооружения [7]. Явления могут происходить в системах различных размеров (но геометрически подобных), в потоках с различными свойствами, и всё же они будут подобны, если при соблюдении подобия условий однозначности численные значения определяющих критериев одинаковы. Таким образом, возможность моделирования возникает при одновременном выполнении двух обязательных условий: полное геометрическое подобие и одинаковые критерии подобия.

Полное геометрическое подобие с геометрией Т-99 было выполнено в полной мере. В качестве критериев подобия были выбраны число Рейнольдса Rв и параметр закрутки потока Б. В реальных отсасывающих трубах параметр закрутки постоянно меняется в зависимости от режима работы турбины. Исследуемые в нашей работе условия (5=1,2) соответствуют режимам с сильной остаточной закруткой, которые имеют место при неоптимальной работе гидроагрегата.

Принципиальная возможность моделирования при соотношении Rвмодель<Rвнатyра исходит из того экспериментально установленного и не вытекающего из теории подобия факта, что при напорном движении вязкой жидкости существуют две автомодельные области, в которых распределение скорости не зависит от числа Rв. Наши исследования проводились при Rв ~ 1,7-105 (расчёт по среднерасходной скорости и0 и входному диаметру в модель), меньшем, чем в натурных условиях (~106), но достаточным, чтобы принять условие автомодельности числа Эйлера

Рис. 2. Геометрии рабочего участка: а - модификация за счёт установки сглаживающей вставки; б - сечения,

в которых производились Р1У-измерения и визуализация

Eu =

Ap

2 (где Ар - перепад давления,

ри о/2

р - плотность воды) от числа Не .

Измерение перепадов давления

Измерения перепадов давления было сделано для проверки условия автомодельности. Перепады были измерены с помощью тензодатчика давления между точками 1-0 и 2-0, отмеченных на рис. 1. Данные были получены для двух различных геометрий с установленной сглаживающей подложкой и без неё (рис. 2,а). На рис. 3 представлены зависимости обез-размеренного перепада давления Ей от числа Рей-нольдса Не.

Представленные на рис. 3 графики показывают, что начиная с Не ~ 1,5-105 наблюдается зона автомо-дельности, т.е. характеристики течения перестают зависеть от расхода, что позволяет проводить количественные измерения характеристик течения при Не меньшем, чем в натурных условиях, и выдержать необходимые критерии моделирования. Практика исследований показывает, что при величинах Не ~ 105, при которых, как правило, проводятся опыты на модельных турбинах, влияние различия числа Не на коэффициент полезного действия можно учитывать путём внесения поправок в КПД модельной турбины, пользуясь эмпирическими формулами пересчёта с модели на натурные условия.

Также, исходя из полученных данных, можно заключить, что влияние установки сглаживающей подложки достаточно мало, величина обезразмеренного давления изменилась примерно на 5%. Поскольку перепады давления измерялись только в одной точке в данном измерительном сечении, то трудно сделать какой-либо вывод о реальном изменении коэффициента восстановления давления, но можно говорить о качественной зависимости перепада давления от числа Рейнольдса.

Визуализация потока

Особенности течения в модели отсасывающей трубы были исследованы с помощью техники визуализации. Представление о структуре потока является

первым шагом для понимания сложных вихревых образований в модели ОТ. Визуализация осуществлялась в сечениях, изображенных на рис. 2,6.

На рис. 4,а приведена визуализация течения по центру модели в вертикальном сечении. Высокие скорости потока соответствуют длинным трекам пузырьков на фотографии. Видно, что поток в конусе ОТ замедлен по сравнению с областью поворотного колена, где реализуется основное течение жидкости. Выйдя из поворотного колена, поток поднимается вверх и втягивается в сильное вихревое течение, далее замедляется. Об этом говорят точечные треки от пузырьков. Более того, поток начинает разворачиваться, создавая крупномасштабный обратный ток по направлению к колену.

Визуализация течения в горизонтальной плоскости (рис. 4,6) позволила определить, что в конусе ОТ не формируется ярко выраженное периодическое течение. Сильный поток отжат к ближней стенке, о чём говорят длинные треки, а у дальней стенки появляется область возвратного течения.

PIV-эксперимент

Были проведены PIV-измерения поля скорости в различных плоскостях модели ОТ. На рис. 2,6 отмечены сечения, в которых проводились эти измерения.

На рис. 5 изображено осреднённое по времени поле продольной скорости (х-компонента, ось направлена влево) в модели в сечениях I и III, соответствующих ближней и дальней стенке ОТ.

В сечении I, изображенном на рис. 5,а, наблюдалось интенсивное течение, а скорость потока у нижней стенки значительно выше, чем у верхней. В сечении III (рис. 5,6) в основном преобладало возвратное течение, а прямое течение было не так интенсивно и прижато ко дну модели. Если проследить течение в сечении III вдоль всей модели, можно заметить, что возвратное течение начинается от левой стенки и простирается вдоль всего участка. При таком распределении скорости внутри модели образовывались также застойные области со средней скоростью, близкой к нулю.

а)

ю

¡4

Канал 1

Канал 2

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Яе -105

б)

Рис. 3. Зависимость числа Ей от числа Re: канал 1 и 2 со вставкой (а), без вставки (б)

а)

б)

Рис. 4. Визуализация течения: а - течение в вертикальном сечении (II); б - течение в горизонтальном сечении (IV)

б)

Рис. 5. Изоуровни продольной осреднённой скорости: а - сечение I; б - сечение III (см. рис. 2,б) (здесь продольная скорость означает x-компоненту, которая направлена влево)

Для центрального сечения II на рис. 6 представлено поле осреднённой скорости вдоль всей модели. Чёрными линиями со стрелками схематично обозначены линии тока. Основная сложность получения цельной картины течения заключалась в том, что для охвата всей модели у камеры не хватало разрешения, таким образом, сечение модели было разбито на небольшие секции, а затем изображения совмещались. Всего были проведены 24 серии экспериментов.

На рис. 6. можно видеть зону возвратного течения, распространяющуюся от начала поворотной части модели вплоть до самого завихрителя. В начале поворотной части имеется стационарная вторичная вих-

ревая структура. Видно, что основной поток идёт вдоль нижней стенки, а вдоль верхней стенки наблюдается менее интенсивное возвратное течение.

Также были измерены поля скорости в горизонтальном сечении V. На рис. 7,а приведён профиль тангенциальной компоненты скорости для этого сечения. Видно, что из-за сильной закрутки поток отжат к стенкам, образуя кольцевую закрученную струю.

На рис. 7,6 представлен профиль осевой скорости в том же сечении. Можно заметить, что основной поток идёт вдоль стенок. Центральная область более чем на 80% занята менее интенсивным возвратным течением, которое схематично показано на рис. 6.

1 20 40 60 «О 100 120 140

1 ф

V

у, мм

а)

0/20 40 60 8 0 100 120 \ 140 I

\ 1

X /

\ /

V/

ИМ"

у, мм

б)

Рис. 7. Профили скорости под телом обтекания (в сечении V): а - тангенциальной скорости вдоль координаты у; б - осевой скорости вдоль координаты х

Подводя итоги, можно сказать, что экспериментальное исследование вихревого течения в модели ОТ Т-99 было проведено с использованием Р!У-метода. Поля скоростей, а также выполненная визуализация течения в различных сечениях дали представление о структуре потока. Важным результатом работы стало выявление отсутствия нестационарных эффектов и связанных с ними крупномасштабных пульсаций потока несмотря на сильную закрутку ^ = 1,2) и наличие зоны возвратных токов в конической части модели ОТ. Этот факт, скорее всего, обусловлен геометрией завихрителя, который создаёт специфичный входной профиль скорости. Это позволяет сделать вывод о том, что критерии подобия и Б не являются единственными необходимыми для моделирования нестационарных процессов в моделях ОТ. В любом случае результаты, полученные в ходе работы, весьма полезны, так как выявлены условия, при которых не образуются нестационарные вихревые структуры и не генерируются связанные с ними мощные пульсации течения.

При детальном рассмотрении полей скоростей было выявлено наличие вторичных вихревых структур в поворотной части трубы. Из-за закрутки потока течение сильно прижато к левой стенке, при этом образу-

ется обширная зона, занятая возвратным течением и застойными областями. Проведённые оценки показывают, что эффективно используется лишь около 30% поперечного сечения канала. Установка сглаживающей подложки практически не повлияла на эффективность работы ОТ, изменив лишь размер и положение зоны возвратных токов.

Полученные Р!У-данные будут использованы для тестирования результатов численных расчётов, которые параллельно ведутся в ИТ СО РАН. Результаты совместного физического и математического моделирования будут в дальнейшем использованы для оптимизации геометрии отсасывающих труб с целью увеличения эффективности и надёжности работы гидротурбин.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (соглашение № 8225, 14.132.21.1728), РФФИ (грант № 11-0801063), гранта Правительства России № 11.G34.31.0046 для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских вузах (ведущий ученый - К. Ханъялич, НГУ).

1. Губин М Ф. Отсасывающие трубы гидроэлектростанций. М.: Энергия, 1970, 270 с.

2. Sylvain Tridon, Stéphane Barre, Gabriel Dan Ciocan, Laurent Tomas Experimental analysis of the swirling flow in a Francis turbine draft tube: Focus on radial velocity component determination // European Journal of Mechanics. B/Fluids. Vol. 29, Issue 4. July-August 2010. Р. 321-335.

3. Monica Sanda Iliescu, Gabriel Dan Ciocan, François Avellan. Analysis of the Cavitating Draft Tube Vortex in a Francis Turbine Using Particle Image Velocimetry Measurements in Two-Phase Flow // J. Fluids Eng. 021105-10 // Vol. 130. February 2008.

4. Gebart B.R., Gustavsson L.H., Karlsson R.I. Proceedings of

ский список

Turbine-99 Workshop on Draft Tube Flow in Porjus. Sweden. June 20-23, 1999: technical report Lulea University of Technology, Lulea, 1402-1536, 1999.

5. Гупта А., Лили Д., Сайред Н. Закрученные потоки. М.: Мир, 1987. 590 с.

6. lehisa Nezu, Michio Sanjou PIV and PTV measurements in hydro-sciences with focus on turbulent open-channel flows // Journal of Hydro-environment Research. Vol 5. Issue 4. December 2011. Р. 215-230.

7. Кутателадзе C.C., Ляховский Д.Н., Пермяков В.А Моделирование теплоэнергетического оборудования. М.-Л.: Энергия, 1966. 351 с.