автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Применение метода имитационного моделирования при расчетном исследовании и проектировании рабочих колес быстроходных радиально-осевых гидротурбин

О п Л ■•.?'/'? -

,/ а;' - . -

ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В. И. ЛЕНИНА

На правах рукописи

Гуськов Ататолий Анатольевич

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЙМИТАЦИОНЮГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАСЧЕТНОМ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПРОЕКТИРОВАНИИ РАБОЧИХ КОЛЕС БЫСТРОХОДНЫХ РАДИАЛЬНО-ОСЕВЫХ ЩРОТУРШН

05.04.13 - гидравлические машины и гидропнешоагрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени навдидата технических наук

Работа выполнена на кафедре гидравлических машин Харьковского политехнического института имени В.И.Ленина

Научный руководитель -

Официальные опподанты

Ведущее предприятие

кандидат технических наук, доцент Потетенко О.В.

- доктор технических наук, профессор Палагин A.A.,

кандидат технических наук, доцент Нос гордой С.Д.

- Производственное объединение атомного турбостроения "Харьковский турбинный завод" имени С.М.Кирова

Защита состоится "2.и ЮН Я 1991 г. в_££час. 00 мм на заседании специализированного совета Д 068.39.01 в Харьковском политехническом институте имени В.И.Ленина / 310001 Харьков, ГСП, уд..Фруюе, 21 /.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харнговско: политехнического института имени В.И.Ленина

Автореферат разослан 23 мая 1991 года.

Ученый секретарь специализированного совета

Зайченко Е.Т

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАШТЫ

Актуальность работы. Сложные экономические и экологические блемы, возникшие на современном этапе развития, определяют поенные требования к гидроэнергетике. Этим в немалой степени словлена необходимость совершенствования энергетического обо-ования ГЭС и, в первую очередь, основных рабочих органов гид-урбины, к которым относятся, рабочие колеса /РК/.

В настоящее время для расчетного анализа РК гидротурбин раз-эташ двумерные, квазитрехмерные и трехмерные модели протекания кости в турбине. При этом расчетные модели базируются на исполь-ании непосредственно дифференциальных уравнений движения сшгош-среды, вариационных принципов механики, методов особенностей .д. Численшя реализация этих моделей осуществляется посредст-различных-модификаций методов конечных разностей, конечных центов, граничных элементов и кривизны линий тока. Созданное эснове вышеперечисленных моделей и методов программное обеспе-1е наряду с приемлемой точностью отличается большим объемом эты по заданию исходных данных объекта /особенно при решении шх задач обтекания/, что создает противоречия между довольно эким математическим уровнем существующих методов расчета и 1НИЧ6иными возможностями их использования.

В то же время все болеедтверждается отношение к численным гедованиям ш математических моделях как экспериментальной >те, что сопровождается некоторым изменением подходов в модв-жании и организации вычислений. Эти новые тенденции сформулн-1ны в рамках имитационного моделирования, представляющего сопроцесс конструирования имитационной модели реальной системы ютановки эксперимента на ней с целью широкого изучения свойств •емы. Имитационное моделирование позволяет существенно повы-I эффективность расчетных исследований путем замены математики моделей сложных систем простыми с вычислительной точки зрэ-моделями идентификации /МИ/, использующими минимальный объем дных данных. В этом случае появляются принципиально новые ожности решения задач анализа и синтеза, в том числе задач метрической оптимизации объектов.

Таким образом, задача применения метода имитационного моде-вания при исследовании и проектировании пройточной части НС ется актуальной.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является создаш на основа МИ комплекса программ для оперативного анализа ,геомег ГО быстроходных радиально-осевых гидротурбин / БРО гидротурбин^ а также для оптимального выбора основных геометрических параме: РК на начальной стадии проектирования.

Поставленная цель достигается путем применения метода ими' ционного моделирования при анализе течения жидкости в области ! гидротурбин. Б соответствии с поставленной целью основными зад; чаш работы являлись:

- разработка на базе квазитрехмерного подхода методики оц ки энергетических характеристик РК БРО гидротурбин;

- постановка и проведение имитационных экспериментов на м дэлях сложных систем; построение МИ показателей обтекания реше1 профилей;

- создание комплекса программ для анализа геометрии РК и оптимального выбора их основных геометрических параметров.

Научная новизна и практическая ценность. Впервые в отечес венном гидротурбостроении для анализа и проектирования ГО широ применяются МИ, получаемые в ходе имитационных экспериментов. В процесса решения этой задачи достигцуты новые результаты, ко рые выносятся на защиту:

- методика создания высокоэкономичных МИ для ашлиза геом рии ЕК БРО гвдротурбин;

- пригодность полученных МИ для расчетных исследований;

- качественные выводы о влиянии геометрических параметро! РК на энергетические показатели гидротурбин;

- методика оперативного прогнозирования энергобалансовых характеристик Ш БРО гидротурбин;

- постановка задачи и алгоритм оптимального выбора основ! геометрических параметров ГО;

- комплекс программ для оперативного анализа и синтеза щ точной части РК БРО гидротурбин на начальном этапе проектировс

ОБОСНОВАННОСТЬ и достоверность результатов определяются:

- применением распространенного метода для расчета обтек решеток профилей лопасти ГО;

- планированием и проведением имитационных экспериментов, также обработкой и интерпретацией их результатов в соответствз с научно-обоснованным математическим аппаратом теории планиро] ния эксперимента /ТПЭ/;

- положительными результатами решения тестовых и контрольных адач для полученных МИ;

- хорошим соответствием расчетных и экспериментальных пока-ателей для серии номенклатурных БРО РК.

Реализация работы. Диссертационная работа выполнена в рам-IX хоздоговора с НПО "Х13" имени С.М.Кирова "Разработать проточно часть радиально-осевой гидротурбины на напоры 40-75 м, про-, эсти исследования по совершенствованию проточной части радиально-осевой гидротурбины на напор 230-310 м для конкретных проектируе-jx ГЭС". Полученные с помощью разработанной методики прогнозиро-шия энергобалансовых характеристик РК результаты использовались ж проектировании БРО РК Р075, переданного НПО "ХТЗ", что подт-!рждено соответствующей документацией.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались i научных конференциях преподавателей, сотрудников и аспирантов М имени В.И.Ленина /Харьков, I987-I990 гг./, научно-техническом аганаре /НТС/ ПО "ЖЗ" /Ленинград, 1889 и 1990 гг./, НТО кафедры [дромапшн ЛПУ /Ленинград, 1990г./, республиканской научно-техни-■схой конференции "Применение вычислительной техники и математи-ских методов в научных исследованиях" /Севастополь, 1990г./, ! Всесоюзной конференции "Моделирование систем информатики" /Ново-[бирск, 1990г./, НТС института проблем машиностроения АН УССР арьков, 1990г./, НТС кафедры ИВЭ МйСИ/Москва, 1991 г./, НТС D "ХТЗ" им, С.М.Кирова /Харьков, 1991г./.

Публикации. Потеме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, глав, выводов, списка литературы из 120 наименований, приложения, держит ¿15" страниц машинописного текста, Ц2 иллюстраций,

таблицы-Всего З-iS страниц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность диссертации, отмечается Активность методов имитационного моделирования при исследовании иных систем, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе проводится обзор методов расчетного исследо-жя и проектирования РК гидротурбин, излагаются основные поня-I и методология имитационного моделирования.

В обзоре показано, как на разных этапах развития гидротурбо-

строения при рассмотрении сложного пространственного нестационарного течения вязкой жидкости в лопастной системе прибегали к различным расчетным схемам, отличающимся, прежде всего, степенью упрощения картины течения.

Отмечается, что одним из наиболее распространенных и эффективных методов анализа гидродинамических и знергокавигационных качеств лопастных систем Ш гидротурбин в настоящее время является расчет обтекания решеток профилей, производимый с помощью прямой решетчатой задачи ЦКТИ /ПРЗ ЦКТИ/. Наряду с этим упомянутый метод отличается относительно большой трудоемвостью при задании исходных данных, что представляет определенные трудности при использовании его в сложных программных комплексах.

Дается определение имитационного моделирования как метода конструирования модели функционирования /МФ/ реальной системы и постановки эксперимента на этой модели с целью изучения свойств системы. МФ основывается на математических моделях элементов системы и/или на соответствующем методе расчета, включающем различные расчетно-графические работы. В ходе эксперимента МФ выступает в качестве имитационной модели системы.

В результате спланированного эксперимента на имитационной модели системы получают т.н. модели идентификации /ИИ/, более, простые с вычислительной точки зрения, чем исходная модель. Испол зоваше МИ в дальнейших исследованиях позволяет значительно повысить эффективность расчетных работ.

На основании проведенного обзора была сформулирована постановка основной задачи исследований: провести имитационный эксперк ыенг на методике решения ПРЗ ЦКГЙ и построить МИ показателей обте калия решеток профилей для оперативного расчета потерь зшргии в БГО РК . -

Во второй главе дано обоснование методики использования ПРЗ ЦКТИ при анализе РК БРО гидротурбин. В результате сравнительного исследования серии Щ внесены изменения в выражения для определения отдельных категорий расчетных потерь энергии.

В начале приведено краткое описание квазитрехмерной модели, используемой при расчете обтекания пространственных решеток профилей, и возможностей, созданной для этой цели ПРЗ ЦКТИ. Отмечает! что задача расчета обтекания лопастной системы гидромашины н общем случае приближенно сводится к комплексному решению двух двумерных задач: осесшметричного течения в проточной части и обте-

кашя решетки просмей на осесимметричной поверхности тока.

Особенное внимание уделяется выбору вида меридионального потока при определении формы поверхностей тока. В настоящее время в полости РК строят либо потенциальный / О- =»0/ меридиональный поток, либо вихревой IО. ¿0/ меридиональный поток, учитывая результаты экспериментальных и расчетных исследований потока в гидротурбине близкой быстроходности.

В общем случае вихревой поток считается более соответствующим "реальному" потоку и его преимущества особенно ощутимы при локальном исследовании геометрии лопасти /например, отработка отдельных решеток профилей/. В то же время накопленный опыт применения потенциального потока показывает несущественное влияние допущения потенциальности течения при оценке осреднении кинематических и энергетических показателей РК /в диссертации приводится соответствующий расчетный анализ/. Учитывая, что определение формы потенциального потока требует значительно меньшего времени, чем определение фэрмы вихревого потока, первый и был принят за базовый для проведения расчетов обтекания лопасти РК.

Для расчета потерь энергии РК за основу взяты выражения, используемые в методике ЦКТИ им.И.И,Ползу нова /см.: Рольдин А.В., 1олуишин В. К. Расчет потерь энергии в поворотно-лопастных гидротурбинах на напор 50-60 м. Труды ЦКТИ, 1978 г., вып.164, с.57-77/. 3 число учитываемых расчетом потерь вошли следующие их категории: гдарные и профильные потери /определяются в ходе решения ЛРЗ ЦКТИ/, I также циркулящонные потери, скоростные потери на выходе и поте-ш от осевого вихря /определяются с учетом показателей обтекания вшеток профилей/.

Сравнительное исследование трех номенклатурных РК на шпор '5 м, проведенное с расчетом потерь энергии по результатам решения КЗ ЦКТИ, показало, что имеется существенное расхождение в значе-иях расчетных и экспериментальных потерь энергии на оптимальном ежиме. Расхождение в основном было вызвано большим различием в начениях потерь от осевого вихря и в значениях циркуляционных отерь. Это привело к необходимости изменения способов их опреде-ения с учетом большей неравномерности скоростей потенциального отока по сравнению с вихревым.

В результате проведенного анализа потери от осевого вихря, гаределяемыекак дополнительные потери в отсасывающей трубе, пред-эжено считать линейно-пропорциональными закрутке потока га выхо-

де из втулочной решетки профилей /в отличие от квадратичной зависимости, принятой раже/. Кроме того, при осреднении цир1уляцион-ных потерь энергии для всего РК предложено не учитывать закрутку потока у втулкиРК,' pce вошедшую в выражение для потерь от осевог! вихря. Р&счет потерь энергии для вышеупомянутых РК по измененным выражениям дал более удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных потерь на оптимальном режиме /табл. I/.

Таблица I

РК Эксперимент, потери энергии гидротурбин Расчетные потери энергии в РК

методика ЦКТИ методика Х1Ш

P0I 8,20 % 7,95 % 6,20 %

PÛ2 8,00 % 4,89 % 5,45 %

РОЗ 8,20 % 5,62 % - 6,12 %

Таким образом, предложенная методика решения ПРЗ ЦКТИ на о( нове потенциального меридионального потока и расчетом потерь эн гии по измененным формулам была принята за исходную Мф системы при проведении имитационного эксперимента и получении Ш показателей обтекания.

В третьей главе дано подробное описание способа построена геометрических Мй для исследования РК гидротурбин. В качестве М исследуемой.системы была принята методика решения ПРЗ ЦКТИ, вил чащая комплекс взаимосвязанных раечетно-графических- работ, а и но: переход от основных геометрических параметров РК, обраэуюци его геометрическую характеристик /ГХ/, к соответствующим черте подготовка необходимых исходная данных; определение фарш потен циального потока в полости РК; конформное отображение решетки п филей; решение ПРЗ ЦКТЙ; обработка результатов для получения ис комых показателей обтекания.

Для того чтобы установить непосредственцую функциональную связь между геометрическими параметрами Ж и показателями обтев ния его решетки профилей, весь этот сложный и неоднородный прет; расчета необходимо представить в виде имитационной модели и прс вести спланированный эксперимент, заключающийся в фиксировании значений искомых показателей /выходных параметров модели/, кот< получаются при различных сочетаниях геометрических параметров ] /входные параметры модели/. Статистическая обработка результате

-У-

ш.штационного эксперимента в соответствии с катеыатическку аппаратом ТПЭ позволяет получить коэффициенты МИ, структура которых задается предварительно.

В качестве ГХ РК на начальном этапе исследований принята совокупность геометрических параметров, позволяющих однозначно задать форму полости РК и форму профгия на сродней поверхности, тока, т.е. для Ц> = 0,5 /рис. I/. ГХ полости БРО РК состоит из ? геометрических параметров: координата На точки начала округления нижнего обода, радиус скруглегая р , угол конусности % , высота входного сечения $0 и координаты [2с >

точек пересечения кривой верхнего обода с фиксированными пр,?ж;и,

Форлу профиля средней решетки при постоянном законе распределения толщин можно задать через форму скелетной линии и значеш'.з максимальной толщины §" . Тогда ГХ профиля £л¡> можно пришть состоящей также из 7 геометрических параметров: угол охвата , координаты и входной и выходной кромок, геометрические

углы Р±Г и ¡Згг входной и выходной кромок, стрелка протеза т посредине хорды профиля и толщина /ряс. I/. Эти 14 геометрических параметров и число лопастей Z практически одипзг.ччно определяют форглу средней решетки профилей и кинематщ.у потока, а следовательно, выходные параметры системы.

Пределами изменения геометрических параметров, ограничивающими область имитационного моделирования, были приняты значения, позволяющие описать геометрию БРО РК.

В качестве выходных параметров системы были приняты кг;нематк-ческие показатели обтекания решетки профилей, которые, с одной стороны, позволяют определить вышеописанные категории потерь энергии, а, с другой стороны, имеют близкую к линейной зависимость от геометрических параметров РК. К ним, в частности, относятся меридиональные скорости та входе и выходе из репетки г^ и гУгт, угол Зезударного обтекания р^в. , угол выхода потока $>г и сумма интегралов I , определяющая профильные потери энергии.

Структура Ш всех показателей обтекания принята в виде юлинома

п = л*+ё а4 х; £ ^ ^ п/

Я0 Т, /2/

■I " 4 к , 'Л/« /V ик к

сь Т^ - показатель обтекания решетки простилей;

X - нормированная величина соответствующего геометрического параметра, принимающая предельные значения -1,+1;

П - число варьируемых входных параметров / и = 15/;

А - Коэффициенты МИ;

У - количество проведенных опытов /под опытом понимается решение ПВЗ ЦКТИ для конкретного сочетания геометрических параметров РК/.

Для минимизации количества опытов и наиболее точного матема-еского описания с помощью МИ исследуемого факторного простран-а использовались элементы ТПЭ,

Ввиду сложности исследуемой системы МИ показателей обтекания етки профилей строились в четыре этапа:

1. Построение МИ для расчета форны потенциального потока в исимости от ГХ полости РК (?ПМ .

2. Построение МИ для определении формы профиля в конформной скости в зависимости от ГХ полости БК Спгл и ГХ профиля (5пр .

3. Построение геометрический № показателей обтекания решетки филей в зависимости от £пм > к ^ при фиксированных имных параметрах = 1,0 м3/с, ул'/ = 80 мин~*. Ш ряда по-ателей приведены ниже /несущественные члены полиномов опущены/:

I* = 1,347+0,034 РЛ -0,009 Йс -0,172 2г

47,07-0,067 ЪА +0,055 -1,375 2г. ^ = 24,14-0,140 £д +0,272 Яс -3,232 гг

С - 1,207+0,037 -0,018 -0,0032г

В общей сложности для расчета коэффициентов ЫИ потребовалось зедение имитационного эксперимента, состоящего из 56 опытов, кватность геометрических МИ подтверждена в серии тестовых и грольных расчетов. Эти Ш позволяют определять показатели об-

+0,024 р -0,012 X -0,025 £а +0,020¿г -0,020/гг -0,062 /

+0,732 р -0,030?

-0,111 -I,927ДХ

-0,265+0,163/

+0,063 р -0,510 ? -0,115 -1,043^С +0,449Дг -1,043/

+0,029 Р -0,007? -0,003 +0,001 Л +0,002 Д. +0,002 £

+0,043 -0,045 8р

+0,034 21 +0,052

+0,017 ^ +0,0342

-0,588 +0,710 Йр

-0,476 +2,336 Дг

+0,373 <? +0,012 1

+0,318 -0,293 1, /3/

+1,6832х +0,773 ¿г

+0,017{Г +0,5812

•0,004 йв +0,007 -0,040-0,003Ди-

-0,001 $ -0,186г

текашя., а значит и соответствующие потери энергии без решения ПРЗ ЦКГИ. Погрешность в определении показателей обтекания по ср неншо с исходным методом расчета не превышает 3$.

4. Построение показательной МИ для расчета обтекания в зон универсальной характеристики. Этому посвящена четвертая глава.

В четвертой главе дается определение показательной характе ристики /ПХ/ решетки и лопасти Ш, излагается способ построения показательных МИ решеток профилей, а также проводится исследова ше серии РК с помощью построенной МИ.

Под показательной характеристикой решетки профилей понимае ся множество показателей обтекания га фиксированном режиме / = 1,0 м3/с, 80 мин"^/, однозначно характеризующих

эту решетку. В насем случае в ПК решетки входят: меридиональные скорости и , профильные потери энергии XV , Е-жодная закрутка потокаи предельные углы и потока, при отклонении от которых появляются ударные потери энергии на вход в решетку /эти углы связаны со зшчениеы угла безударного обтек ния р£с /. Есе названные показатели могут быть найдены либо с п мощью ПКЗ ЦКГИ, либо с помощь» полученных ранее геометрических

При задания такого вида ПХ решетки во внимание принималось то, что, во-первых, эти показатели определяют все вышеперечисле ныз категорли потерь энергии и, во-вторых, для этих показателей мосот бить принята близкая к линейной зависимость от режимных п рагге'хров.

Ставится задача построения показательных МИ, т.е. моделей, позволящнх определить значение показателя обтекания на любом £ жиме по известному зшчению этого показателя на фиксированном £ нше, наши словами, найти зависимости типа

тпр и т.д.

Для эксперимента были отобраны решетки профилей с максима! различная! значениями соответствующих элементов ПХ. Согласно ш ну полного трехфакторного эксперимента для каждой пары решеток была решет ПРЗ ЦКТИ на четырех режимах, отличающихся сочетание предельных значений б] и и] .По результатам эксперимента с помощью выражений /2/ были рассчитаны коэффициенты полинома типа /I/. Показательные МИ в случае средней решетки профилей м. следующий вид /несущественные члены опущены/:

Т„р = 1,628 + 0,44-СУ + 0,00-йх' + 1,02 Г„% + 0,28 О^Х^ , °>291 - + О,15-Й; - о,31/к>4"- 0,04 аг'-ш)г //{/

46,58 + 0,92-5; -0,86 -й; - 3,06Д£ + 0,15 Й •

- о,обед;, + о,т в;

На основании геометрических МИ /3/ и показательных МИ /4/ была составлена программа ЛОВК.Е6 для ЭВМ, которая позволяет определить необходимые показатели обтекания решетки профилей и рассчитать потери энергии по значению только 15 геометрических и двух режимных параметров. Закрутка потока на. входе в решетку не используется в качестве режимного параметра, а определяется итерационным путем по уравнению турбин в процессе общего расчета. Эта программа характеризуется приемлемой точностью по отношению к расчету ПРЗ ЦКТИ в широком диапазоне режимов.

Аналогично были построены показательные МИ для других решеток БРО РК /периферийной, втулочной/. Совокупность этих Ю1 позволяет производить расчет потерь энергии всего РК, осредняя значения потерь энергии отдельных решеток. Созданная для этих целей программа отличается большим быстродействием и удоб-

ством в пользовании. На рис.2 представлены результаты расчета потерь энергии для серии номенклатурных РК, полученные с помощью программы УЕЙЬТ/ЗТ. Как видно, имеется хорошее соответствие параметров расчетного и экспериментального оптимуиов /особенно для О^рлг11 Зр /• Расчетное значение кг'£,пг у всех РК на 1-5 оборотоз меньше, чем экспериментальное, что вполне может учитываться в ходе предварительных "тарировочных" расчетов.

На основании созданных программ /в том числе программы ЛРйРРГ для расчета потенциального потока и программы А&ЕОИ для определения формы профиля в конформной плоскости/ была разработана методика оперативного прогнозирования энзргобалансовых характеристик РК БРО гидротурбин, подробное изложение которой приводится в приложении к диссертационной работе.

Используя программу УЕ'КЬСОТ', проведены исследования некоторых свойств лопастных систем БРО РК. В частности, установлено, что для РК с геометрически согласованными решетками профилей . /"сглаженной" поверхностью лопасти/ параметры оптимального режима средней решетки профилей близки к параметрам оптимального режима всего Ж в целом. Также практически обосновано задание характера изменения входной закрутки потока по высоте РК.

МШ'*

65 80 75

/ /V

А?/ i mm *3 4,56%

fr \ \1 Кг* 553%/ Щ ' 1 / Л. 1 к

V V /у /

0,6

ÍO

1,2 о;, л

Рис. 2

0,3

о,i -ai

"""NN Л 1 N Ч > h

[ V \

¡1 fiYs0t5 1/ \

РО'М

Q2 ^ R,m -Q2 -О,i Q X}ti

Рис. 3

В пятой главе описан созданный на основе МИ алгоритм опти-иьного выбора геометрических параметров РК, исследовано влияние эметричесних параметров на кинематические и энергетические ха-ктеристики РК, приведен пример проектирования нового РК с по-цью разработанного комплекса прикладных программ.

Отмечается, что наряду с традиционными, регулярными методами гиыизации, основанными на сложном аналитическом исследовании зциально созданных функционалов, существуют прямые методы опти-зации, предполагающие использование единственной процедуры -эцедуры определения критерия оптимальности при. заданной комби-ции варьируемых параметров.

В качестве варьируемых параметров выбраны основные геометри-;кие параметры РК &прл и &пр Jeu. рис Л/; в качестве критерия гимальносги приняты суммарные потери энергии в средней ре-рке профилей. Тогда задача оптимизации формулируется следующим эазом:

—»

—f ( G-псл , G-np г fii t Пх j = Hl in

/5/

-I ограничении на геометрические параметры Cmr» < С i G^x

Для оперативного определения величины потерь энергии на за-аном режиме по значениям геометрических параметров РК использу-5Я программа А 05REG , базирующаяся на геометрических и пока-гельвдх МИ» Алгоритм оптимизации заключается в последовательном эеборе значений каждого геометрического параметра и выборе ком-ации параметров, характеризующейся наименьшими потерял: энзр-I. Для ускорения процесса поиск оптимальной точки ведется по игогии с методом покоординатного спуска.

Созданная для этой цели программа АОРТIrt работает в двух :имах: оптимизация формы полости .РК при заданной ГХ профиля в"р/, >птимизация форлы профиля решетки при заданной ГХ полости РК£„М . 1ГОдаря простоте используемых МИ программа обладает большой )изводительностью: в течении I минуты осуществляется перебор и счетный анализ более 1000 вариантов.

Контрольное исследование оптимальных решеток профилей, прове-шое с помощью ПРЗ ЦКТИ, подтвердило существенное уменьшение 'ерь энергии по сравнению с исходными прототипами, что говорит эффективности используемой методики. В табл. 2 показано умень-ие профильных и циркуляционных потерь энергии при оптимизации мы средних решеток профилей ряда номенклатурных RK. Оптимиза-

зация проводилась на фиксированном режиме при = oensi .

Таблица 2

Профильные потери / # / Циркуляц. потери / % /

POI Р02 РОЗ F0I Р02 ро:

исходная решетка Оптимальная решетка 2,23 1,06 1,10 0,72 1,53 0,75 1,09 0,24 1,16 0,18 0,1! o,o;

В ходе массовых расчетных исследований с применением nporpai мы АОРТГм сделаны качественные выводы о влиянии режимных параметров и ГХ профиля GnP на оптимальцую форму полости ИС, а также разработаны рекомендации по выбору оптимальных очертаний проточной части РК.

Кроме того, установлено, что характер влияния отдельных геометрических параметров FK на величину суммарных потерь энергии в решетке профилей определяется совокупностью остальных геометр» ческих параметров и может быть совершенно различным для разных решеток профилей. В этой связи для определения направлений модификации конкретного РК рекомендовано использовать программу £ I /vFivg , базирующуюся на 1 и позволяющую исследовать отдельно! и совместное влияние геонетрических параметров на кинематические и энергетические показатели обтекания решетки профилей.

Проектирование нового РК предполагает использование всего комплекса прикладных программ, разработанного в данной работе. На основании исходной геометрии с помощью программы AOPTIM опр деляются оптимальные геометрические параметры РК для заданного режима. По геометрии средней решетки восстанавливаются крайние решетки с учетом принятого закона компоновки лопасти РК. Получен ная форма лопасти исследуется с помощью программ A0&RE6- nVfieLP и корректируется для получения заданных параметров оптимального режима РК. В заключение проводится контрольный расчет лопастной системы по методике ЦКТИ /расчет обтекания решеток + прямая кромочная задача/с использованием на этапах подготовки исходных данных программ A PR РОТ /построение меридионального потока/ и Л&ЕОМ /задание форлы профиля в конформной плоскости/.

На рис. 3 представлены меридиональная проекция и форма профиля средней решетки для исходного РК РОЗ и спроектированного

нового Ж РО-М. В коде проектирования удалось существенно улучшить параметры расчетного оптимального режима /табл.3/.

Таблица 3

РК От спт и1Спг г,

РОЗ РО-М 1,046 м3/с Г,180 м3/с _ г 81.1 мин А 80.2 мин"1 95,41 96 96,33 %

В приложении помещены примеры расчета коэффициентов МИ, подробно излагается методика оптимального прогнозирования энергобалансовых характеристик РК ЕРО гидротурбин, разработанная на основе геометрических и показательных МИ. Приводится описание прикладных программ, инструкции по заданию исходных данных.

ОСНОВНЫЕ ШВОДЫ и РЕЗУЛЬТАТЫ

1. При массовых расчетных исследованиях в гидротурбостроекин целесообразно применять метод имитационного моделирования. Предложенная методика создания в результате имитационного моделирования высоноэкономичньк МИ для анализа геометрии ЕРО РК позволяет полутать геометрические и показательные Мй, пригодность которых доказана в тестовых и контрольных расчетах.

2. Прикладные программы, составленные на базе МИ и использую-цие в качестве исходных данных ограниченное количество геометрических параметров РК,дают возможность для расчета формы потенциального потока, для описания геометрии профиля, для расчета потерь энергии в отдельных решетках профилей и в самом РК.

3. Разработанная методика оперативного прогнозирования энерго-5алансовых характеристик Ш ЕРО гидротурбин дает результаты, Хорога совпадающие с результатами экспериментальных исследований, что годтверждено в ходе сравнительных расчетов для серии номенклатурах быстроходных ]гК.

4. Дана постановка задачи прямой оптимизации и составлен ягоритм оптимального выбора основных геометрических параметров РО Ш на основе использования геометрических и показательных МИ. 'азработанные программы для ЭШ позволяют на начальной 'стадии роектирования определить форлу полости Ш и согласованную с ней юрму профиля средней решеяки, обеспечивающие минимальные расчетные отери энергии.

5.. В ходе расчетных исследований геометрических и энергетичес' ких характеристик БРО ГК, проведенных с помощью МИ, установлено следующее:

- влияние отдельных геометрических параметров на величину потерь энергии может быть принципиально, различным для различных геометрий однотипных РК и определяется совокупностью значений остальных геометрических параметров;

- для ЕК с геометрически согласованными решетками профилей энергетические показатели средней решетки могут использоваться для оценки энергетики всего РК;

- закрутку потока на входе в FK целесообразно определять путе согласования входной и выходной закрутки и величины потерь энергии по уравнению турбин;

- предложены рекомеццации по выбору очертаний проточной часи РК БРО гидротурбин.

6. Разработанный комплекс прикладных программ.для ЭЕМ позволяет осуществить оперативный анализ и проектирование проточной части БРО РК на начальном этапе исследований.

7. Спроектированное, новое PK РО-М отличается повышенной пропускной способностью и высоким расчетным к.п.д., что свидетельствует об эффективности использованной методики.

ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Потетенко О.В., Гуськов A.A., Чернигов А.Д. Разработка рабочих колес радиально-осевых гидротурбин на шпоры порядка 75 м.

// Математическое моделирование процессов и конструкций энерге тических и транспортных установок в системах их автоматизирова ного проектирования / Тез. докл. конф. Готвальд, 1988, Харьков, ротапринт ИПМаш АН УССР, 1988. - С. 52.

2. 1уськов A.A. Расчетные исследования быстроходных радиально-осевых колес на напор 75 м. Харьков, политех, ин-т. Харьков, 1989. Деп. № 1255 - Ук 89 - 9 с.

3. Гуськов A.A. Расчет потерь энергии в быстроходных радиально-осевых гидротурбинах на напор 75 м. // Гидравл. машины, 1990, Вып.24, С. 35-39.

4. Гуськов I.A. Методика решения сложных вычислительных задач при помощи планирования имитационного эксперимента // Применение

. -вычислительной техники и математических методов в научных иссл дованиях / Тез. докл. конф. Севастополь, 1990, С. 209-210.

Гусьнов A.A. Использование планирования имитационного эксперимента при оптимизации расчетных исследований 1/ Моделирование систем информатики / Тез. докл. 2-й Всесоюзной конфер., Новосибирск, ротапринт ВЦ Сиб. отд-ния АН СССР, 1990, С. 40-41. Гуськов A.A. Построение потенциального потока с помощью имитационной модели // Пробл. машиностроения, 1991, Вып.35,С.24-29, Гуськов A.A. Определение формы профиля при помощи имитационной модели // Энерг. машиностроение, 1991, Вып. 51, С. 46-52. Гуськов A.A. Разработка методики расчета потерь энергии в решетках профилей с помощью планирования вычислительного эксперимента П Гидравл. машины, 1991, Вып. 25, С. 35-43.

Подписано к печати 20.05 - 1991 г., физ.п.л. 1,2, учетн.изд.л. 1,2. Заказ № 70, тираж IÖO экз.

'отапринт ФТИНТ АН УССР,ЗЮ164,Харьков-164,пр. Ленина, 47

Ответственный за выпуск навд. техн. наук доц. Булгаков В.А.