РОЗРАХУНКОВЕ ДОСЛіДЖЕННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ ЗДВОєНОГО КАПСУЛЬНОГО ПРЯМОТОЧНОГО ГіДРОАГРЕГАТУ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

У данш po6omi представлен результати чисельного дослгдження течи ридини в про-точтй частит здвоеного гiдроагрегату кап-сульного типу. З використанням програми для розрахунку двомiрних течш розрахован ктематичш характеристики другого робо-чого колеса длярiзних варiантiв кутiв установки середнього профтю, при умовi осьо-вого виходу потоку та побудований баланс втрат енерги в лопатевш системi

Ключовi слова: здвоений гiдроагрегат,

робоче колесо, баланс втрат енерги

□-□

В данной работе представлены результаты численного исследования течения жидкости в проточной части сдвоенного гидроагрегата капсульного типа. С использованием программы для расчета двухмерных течений рассчитаны кинематические характеристики второго рабочего колеса для разных вариантов углов установки среднего профиля, при условии осевого выхода потока и построен баланс потерь энергии в лопастной системе

Ключевые слова: сдвоенный гидроагрегат,

рабочее колесо, баланс потерь энергии □-□

In this work presented report results of numerical research of current of a liquid in a flowing part of the dual hydrounit of capsule type. With the use of the program for the calculation of 2-dimensional flows kinematics descriptions of the second runner are expectedfor the different variants of corners of setting of middle type, on condition of axial output of flow and is built balance of losses of energy in the blade system

Key words: dual hydrounit, runner, balance of losses of energy

УДК 621.224

РОЗРАХУНКОВЕ ДОСЛ1ДЖЕННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ

здвоенного

КАПСУЛЬНОГО ПРЯМОТОЧНОГО Г1ДРОАГРЕГАТУ

О.В. Потетенко

Кандидат технических наук, професор*

£.С. Крупа

Астрант* E-mail: zhekr@mail.ru

В.Е. Дранковський

Кандидат технических наук, доцент* E-mail: drankovskiy@kpi.kharkov.ua *Кафедра "Гiдравлiчнi машини" Нацюнальний техычний уыверситет «Хармвський

пол^ехшчний шститут» вул. Фрунзе, 21, м. Хармв, 61002 Контактний тел.: 8 (0572) 707-66-46

1. Вступ

Використання здвоеного прямоточного пдроа-грегата iз системою регулювання з потршною ком-бшаторною залежшстю мiж вщкриттям напрямля-ючого апарата i кутами розвороту лопатей робочих колш гщротурбш (послщовне двостутнчасте ство-рення i спрацювання напору i моменту юлькоси руху), дозволяе штотно шдвищити середньоексплу-атацшш показники, розширити зони експлуатацп по напорах i витратах, шдвищити ККД, i дае можли-вшть застосування прямоточно! схеми на б^ьш ви-сою напори. Крiм того, даний пдроагрегат дозволяе одержати бiльшу потужнiсть при менших габаритах блоку ГЕС у плаш, у порiвняннi з двома паралель-

но працюючими агрегатами поворотно-лопатевого типу [1].

Опис конструкцп та роботи здвоеного прямоточного пдроагрегату, проф^ювання та розрахункове дослiдження робочого процесу в першш лопатевiй OTCTeMi приведено в статтi [2].

2. Профшювання лопатево! системи другого робочого _колеса ПЛГ 15-100_

Проектування лопатево! системи робочого колеса i чисельне дослщження ii характеристик здшснюеться шляхом сумiсного рiшення обернено! та прямо! задач обтiкання решггок профiлiв, що базуються на прийня-

тих моделях течи, пдравл1чних втрат 1 геометрично1 модел! робочого колеса [3, 4].

Кожна ГЕС характеризуемся такими даними як натр, потужшсть, синхронна частота обертання, ви-трата тощо[5, 6]. Використовуючи формули под1бно-ст1, щ параметри можна звести до двох: приведено! витрати 1 приведено! частоти обертання п4 . Вщ-ношення циркуляцш, що спрацьовуеться на першому та другому робочих колесах визначаеться р1внянням Ейлера:

(AVцr)1 =

Так як приймаемо пг1 = Пг2 , то

(АУЛ = Н± ю^

(AVцr)2 ш, Н2 .

(1)

(2)

Щ величини е вхщними даними при проектуванш робочих кол1с гщротурбш.

В проточнш частит здвоеного гвдроагрегата вста-новлено дв1 турбши, вали яких розмщеш горизонтально. Перша турбша капсульна осьового типу

ПЛГ 25-100, друга - капсульна осьового типу ПЛГ 15-100 (рис.1).

О» 1Ш0: ¿1=4

Рис. 1. Схема розмiщення робочих колiс та розрахунковi перетини здвоеного прямоточного гiдроагрегату

Закрутки потоку перед 1 за робочими колесами визначалися за допомогою основного р1вняння гвдро-турбш (1), у припущент, що на виход1 з другого колеса закрутка потоку р1вна нулю, тобто

= о,

=(уЛ2).

(3)

(4)

Проф1лювання лопатевих систем починаеться з другого колеса 1 виконуеться за допомогою метода розпод1лених вихор1в [3]. Даний метод, разом з шши-ми, широко використовуеться в практищ розрахунку осьових робочих кол1с насос1в 1 пдротурбш [7, 8]. Зпдно цього методу тоню слабо з1гнут1 профШ в решиках замшюються вихровими шарами з певним законом розпод1лення вихор1в у = уздовж скелета. Для визначення форми проф1л1в задаеться плоско-паралельний потж закон розпод1лу вихор1в уздовж проф1лю. Форму проф1лю знаходять по елштичному закону розпод1лення штенсивност! вздовж проф1лю, як лш!ю току сумарного вщносного потоку, швидюсть якого в кожнш точщ може бути представлена вектор-ною сумою швидкост необуреного потоку 1 швидкост1, що шдуцюються в цш точщ вс1ма вихровими шарами, замшюючими профШ решиок [3].

Отримат в результат! розрахунку нескшченно тонк! профШ поим виконують плесними ("одягають" товщиною) за допомогою нерозрахункових прийом1в - по заданому закону розпод1лення товщини вздовж скелетно! лшп проф1лю (рис.2)

перегни 1-1 (корньовпй) У

перетпн 3-3 (середшй)

\ У ч X

перетин 5-5(переф®р1й1шГО

V

Рис. 2. Профiлi кiнцево! товщини робочого колеса друго! лопатево! системи ПЛГ 15-100.

При профшюванш лопатево! системи були прийня-т1 наступн! вихщт дан! [9, 10, 11, 12]:

- натр: Н;

- приведена витрата: ;

- приведена частота обертання: п4;

- пдравл!чний ККД: Пг ;

- д1аметр робочого колеса: Dl= 1 м;

- д1аметр втулки робочого колеса: dвx;

- число лопатей: z;

- рад1уси розрахункових перетитв: г;

- густота решики в розрахункових перетинах: (1Д);;

- максимальна товщина проф1лю в розрахункових перетинах: 5таХ;

- коефвдент моменту юлькосп руху рщина на ви-ход1 з решики: К2 = 0;

- ввдношення циркуляцш: (Га / Г). ; Значення цих величин приведен! в таблиц! 1.

ш

Таблиця 1

Вихщш дат для розрахунку лопатевоТ системи робочого колеса ПЛГ 15-100

№ пер. г , м (!Д) ^, % (Га / Г) Н, м & ,м3 / А П,об/хв dвт , м 2

1-1 0,19 0,85 11 0,3

2-2 0,265 0,78 5,2 0,185

3-3 0,34 0,74 3,6 0,14 15 1,7 145 0,92 0,35 4

4-4 0,415 0,68 2,3 0,115

5-5 0,49 0,6 2,0 0,1

По результатам розрахуньлв було побудовано ме-ридюнальну проекщю та план лопат1 робочого колеса гщротурбши ПЛГ 15-100 (рис.3).

(Ьг

вх|дна кромка 4 /5

А_

— \ Е1СЬ 1ЮВО[Х1Гу

Рис. 3. Меридiональна проекцiя та вид лопатi обочого колеса в планi.

3. Розрахункове дослщження обтжання лопатево! системи робочого колеса ПЛГ 15-100

Лопатева система проектувалася виходячи с умо-ви осьового виходу потоку шсля робочого колеса, тобто (^г)!,2) = 0 , вщповщно кiнематичний параметр

г р/а=о.

Розрахункове дослщження обтжання велося для середньо! решiтки робочого колеса ПЛГ 15-100 на при-йнятiй поверхнi току для рiзних варiантiв кутiв роз-вороту ф (рис.4) при постшнш величинi Г^/ = 0 , здшснювалося методом послiдовних наближень для

визначення режимних параметрiв - п4 . Розраху-нок проводився по методу ЦКТ1 [13].

Рис. 4. Розрахунковий профть(середнш) робочого колеса

ПЛГ 15-100 для рiзних варiантiв кута розвороту ф

По даним розрахунку обтжання лопатево! системи (по значенням i епюрам ввдносно! швидкостi W(S) (рис.5) та коефщенту тиску р^) (рис.6) на лицьовш та тильнiй сторонi лопатi) на прийнятому режимi було визначено:

- параметри пограничних шарiв на лицьовш та тильнш сторонах лопатi та проф^ьш втрати;

- кути безударного обтжання лопатево! системи, ударнi втрати та вiрогiднiсть вiдриву потоку на тиль-нiй/лицьовiй поверхнi лопатi на рiзних режимах;

- циркуляцiйнi втрати;

- побудовано кшематичш характеристики Г ^ / 0 = 0 лопатево! системи ПЛГ 15-100 для рiзних варiантiв кутiв розвороту розрахункового

профiлю (рис.7);

- коефвденти кавiтацi'i о (таблиця 2), [14];

V/, м/с

---<р" , + 5

- 9° (1

- - - со0 - 5 Пщна кромка

1 | | |

11 Зихщна кромка __ - _ ------

1

V 1

Вих1дна кромка

1

сторона 1 иску сторона розрщження э

0 1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 6 0.7 0.8 0.9 1

Рис. 5. Графки розподту вiдносноТ швидкостi по поверхнi середнього профтю робочого колеса ПЛГ 15-100

витрап проф^ьних hn , циркуляцiйних Ьц , ударних

<р'- + 5

¡р° 0 Видна кромка

-------- q>' = о

/ ____

' / '-д\

;// ч\\|

■V" сторона тиску \Sj \у / сторона розр|дженн£ ^

1) 0 1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 8 0 9

Рис. 6. Графки розподiлу коефiцieнту тиску по поверхж середнього профiлю робочого колеса ПЛГ 15-100.

Таблиця 2

Коефщieнти кав^ацм о при n4 = 160 об/хв. для рiзних кулв установки лопатi робочого колеса

Кут установки лопат ф,° О

+ 10 0,91

+5 0,62

0 0,4

-5 0,25

-10 0,14

Ьуд втрат

Ьсум = Ьпр +ьц +ьуд.

(5)

Дисковi, KpoMKOBi та o6'eMHi втрати в данш po6oTi не враховувалися.

По результатам розрахунюв було побудовано:

- iзолшп втрат енергii в робочому колеи (рис.7);

- ^rni втрат в лопатевш системi ПЛГ 15-100 для рiзних варiантiв кутiв розвороту ф лопатi робочого колеса (рис.8);

- баланс втрат енергп в лопатевш системi ПЛГ 15100 на прийнятому режимi роботи (рис.9).

£ н m

1- <Р°--10 2- 1! vi 3- <Р°-(

- <Р° = + 5 5- 0°= + 10

1

L

г 1 1

1 \ \

\ 2 \ 1 А

\ / V. 1

\ /

Q'i .л/о

1000

1500

2000

2500

3000

180

160

ио

120

100

П1.об хи )

<р° = -5 ^^Г^ЛРло'у J/J

0 Р/С

v5,i%/ /

Q1, л/с

1000

1500

2000

25Ü0

3000

Рис. 7. Кшематичж характеристики r2D/Q = 0 лопатевоТ системи ПЛГ 15-100 для рiзних варiантiв кутiв розвороту ф лопал робочого колеса та iзолiнiТ втрат енерги в лопатевiй системi

4. Гiдравлiчнi втрати в робочому коле« ПЛГ 15-100

У робочому колеи осереднеш сумарш riдравлiч-нi втрати Ьсум визначалися як сума усереднених по

Рис. 8. Кривi втрат в лопатевш ^oi^Mi ПЛГ 15-100 для рiзних варiантiв кутiв розвороту ф лопатi робочого колеса

5.62 5

к"

Л

н

Й 2

\

2 / / \ \

/ 3 I \ \

\\-v щ / /

Длу VVy^ т У/А /

// //V\ //Л ш ш ш ш /

1115

1500

2000

2500 Q|, л/С

Рис. 9. Баланс втрат енерги в лопатевш ^oi^Mi ПЛГ 15-100 при n4 = 160 об/хв.

1- циркуляцшш втрати, 2- ударнi втрати, 3- профтьж втрати

Висновки

1. Визначеш режимш параметри робочого колеса ПЛ15-100 що забезпечують постшшсть кiнематичного параметра Г 2D / Q = 0 на виходi з лопатево! системи.

2. Проведенi розрахунковi дослiдження лопатево! системи другого робочого колеса дозволили отримати кiнематичнi характеристики потоку на входi та побу-дувати баланс втрат при n4 = const .

3. Отримаш кшематичш характеристики лопатево! системи ПЛГ 15-100 дозволяють провести узгодження !! з кшематичними характеристиками першого робочого колеса ПЛГ 25-100.

Лиература

1. Патент на винахщ № 76872 МПК F03 В 13/06, 13/08,

13/10, 13/16.Здвоений прямотечшний гщроагрегат. / Потетенко О.В., Ковальов С.М., 2006.

2. Потетенко О.В., Крупа 6.С., Дранковський В.Е. «До-слщження робочого процесу здвоеного капсульного прямоточного гщроагрегату». Схщно- бвропейський журнал передових технологш - Харгав.-2008, 6/5(36).-С. 30-34.

3. Гутовский Е.В., Колтон А.Ю. Теория и гидродинамиче-

ский расчет гидротурбин. -Л.: Машиностроение, 1974.

4. Этинберг И.Э., Раухман Б.С. Гидродинамика гидротур-

бин. - Л.: Машиностроение, 1978.

5. Квятковский В.С. Рабочий процесс осевой гидротурбины.

Ч. I, М.: Машгиз, 1951.

6. Квятковский В.С. Рабочий процесс осевой гидротурбины.

Ч. II, М.: Машгиз, 1952.

7. Колтон А.Ю., Этинберг И.Э. Основы теории и гидроди-

намического расчета водяных турбин. М-Л.: Машгиз, 1958.

8. Этинберг И.Э. Теория и расчет проточной части пово-

ротно-лопастных гидротурбин. М-Л.: Машиностроение, 1965.

9. Свинарев Г.А., Меловцов А.А. Горизонтальные капсуль-

ные гидротурбины осевого типа.- Киев.: Наукова думка, 1969.

10. Семенов В.В. Прямоточные гиротурбоагрегаты высокой и сверхвысокой быстроходности. М.-Л.: Государственное энергетическое издательство 1959.

11. Свинарев Г.А. Высоконапорные поворотнолопастные гидротурбины осевого типа. Киев.: изд. АН УССР, 1964.

12. Стеклов М.Л. Горизонтальные гидравлические турбины. Л.: Машиностроение, 1974.

13. Раухман Б.С. Расчет обтекания пространственных решеток профилей с

программированием на ЭВМ. РТМ. 24.023..21.-Л.: ЦКТИ, 1972.

14. Этинберг И.Э. Пути улучшения кавитационных качеств высоконапорных поворотнолопастных рабочих колес. Энергомашиностроение, 1960, №12.