автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета обтекания лопастных систем гидротурбин и прогнозирование их гидравлических показателей

р Г 5 ОД

На правах рукописи УДК: 621.224.7

Захаров Александр Викторович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОБТЕКАНИЯ ЛОПАСТНЫХ СИСТЕМ ГИДРОТУРБИН И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ.

Специальность 05.04.13 Гидравлические машины и гидроппевмоагрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском институте машиностроения и в Санкт-Петербургском государственном техническом университете.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Топаж Г.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лямаев Б.Ф., кандидат физ.-мат. наук Федоров A.B.

Ведущее предприятие: акционерное общество "Ленинградский металлический завод".

Защита состоится ß^j1^^. . ,1998 г. в /Г6. часов

на заседании диссертационного совета К 063.38.01 Санкт-Петербургского технического университета / 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, главное здание, ауд. JJ>1.!,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербяргского технического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

ОБГЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Сложные экономические и экологические проблемы нашей страны определяют задачи гидроэнергетики, основными го которых в настоящее время являются: реконструкция и модернизация существующего устаревшего оборудования крупных гидроэлектростанций ( ГЭС ), освоение энергии малых рек, повышение конкурентноспособности отечественных гидротурбин на мировом рынке за счет улучшения их техникоэко-номических показателей. Это требует дальнейшего развития теории гидромашин, глубокого изучения рабочего процесса и полного учета различных факторов, влияющих на их показатели. Решение указанных актуальных задач можно эффективно осуществить на основе современных методов расчета, позволяющих достаточно точно и оперативно проводить многовариантные расчетные исследования по прогнозированию и оптимизации гидравлических показателей гидротурбин в процессе их проектирования. В наибольшей степени этим требованиям сегодня удовлетворяют квазитрехмерпые методы, которые сводят расчет трехмерного потока к комплексному решению трех задач: осесимметричной, решеточной и задачи расчета дополнительного потока. Однако в инженерной практике обычно ограничиваются рассмотрением первых двух задач, предполагая незначительность параметров дополнительного потока. Расчетные и экспериментальные исследования последних лет показали, что дополнительные течения в лопастных системах могут быть весьма интенсивными и они приводят к существенному падению коэффициента полезного действия (КПД) турбины. Эти обстоятельства определяют актуальность проблемы создания теоретически обоснованного метода расчета обтекания лопастных систем гидротурбин пространственным потоком, а также оперативных методов проектирования рабочих колес (РК) и прогнозирования энергетических показателей, учитывающих наличие дополнительного потока.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработать и реализовать на ЭВМ эффективные инженерные методы, которые позволяют оперативно и при этом достаточно точно определять кинематические характеристики потока в лопастных системах гидротурбин и их интегральные гидравлические показатели, а также проводить многовариантные массовые расчетные исследования в процессе лроектировшгая и оптимизации проточной части гидротурбин. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

- разработана оперативная методика расчета обтекания лопастных систем гидротурбин трехмерным потоком невязкой жидкости. По сравнению с известными трехмерными методами данная методика является значительно менее трудоемкой. Она позволяет на основе квазитрехмерных методов определить с высокой точностью кинематические характеристики пространственного потока на поверхности лопасти;

- предложена методика расчета потерь, обусловленных наличием дополни-

тельного потоке в РК гидротурбин, а также методике, позволяющая учесть особенности трехмерного невязкого ядра потока при расчете профильных потерь;

- разработана уточненная методика расчета и построения прогнозной универсальной характеристики реактивных гидротурбин, учитывающая наличие дополнительных течений б лопастных системах;

- впервые выполнен учет дополнительного потока при проектировании новых РК на основе решения обратной квазитрехмерной задачи;

- разработан пакет прикладных программ (ППГТ) по автоматизированному' проектированию РК гидротурбин и прогнозированию их гидравлических показателей;

- выполнены расчетные исследования особенностей пространственного обтекания лопастных систем гидротурбин различной быстроходности и рассмотрено влияние дополнительных течений на их интегральные гидравлические характеристик!:.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработанные методы расчета и ППП могут эффективно использоваться при проектировании РК гидротурбин и решении различных оптимизационных задач теории гидромашин. Они обладают высокой оперативностью и достаточной для инженерной практики точностью определения кинематических и гидравлических характеристик турбины. Учет дополнительного штока позволяет более точно прогнозировать универсальные характеристики реактивных гидротурбин. Это дает возможность сократить объем дорогостоящих экспериментальных исследований, частично заменив физический эксперимент -численным.

ОБОСНОВАННОСТЬ К ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ определяются:

- применением полных уравнений трехмерного установившегося движения идеальной жидкости;

- хорошим согласованием результатов расчета с тестовым аналитическим решением и трехмерными решениями других авторов;

- хорошим согласованием расчетных и экспериментальных кинематических и интегральных гидравлических характеристик для нескольких вариантов гидротурбин различной быстроходности.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты данной работы использовались при проектировании РК быстроходных радиштьноосевых (РО) гидротурбин по договору с АО "Ленинградский металлический завод" (АО ЛМЗ), а также при разработке гидротурбин для малых ГЭС и прогнозировании их универсальных характеристик по договору с научно-производственным центром "РАНД". АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные материалы диссертации докладывались на международной научно-технической конференции (МНТК) "Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования", г. Змиев (1994г.), на МНТК "Гидромеханика, гидромашины, гидро-

привод и гидропневмоавтоматика", г.Москва (1996г.), обсуждались на семинарах в НПО ЦКТИ им. Ползунова, в С-Петербургском Государственном Техническом Университете и в С-Петербургском Институте Машиностроения. Работа была удостоена персонального гранта на конкурсе аспирантов и молодых ученых, проводимом Правительством С-Петербурга и Государственным Комитетом РФ по высшему образованию в 1995г. ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложений и содержит 196 страниц текста, включая 4 таблицы, 58 рисунков на 37 страницах и список литературы, состоящий из 223 наименований на 21 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ. Показана актуальность темы диссертации, формулируются основные задачи данной работа.

ГЛАВА 1. Проводится обзор существующих методов расчета и проектирования лопастных систем гидротурбин. Рассмотрены: осесимметркчная модель течения жидкости, методы расчета решеток профилей и дополнительных течений невязкой жидкости, квазитрехмерные и трехмерные методы,а также обратные задачи проектирования РК гидротурбин. Сделан сравнительный анализ используемых расчетных методов, отмечены их преимущества и недостатки, распространенность в инженерной практике. Как следует из обзора, наиболее эффективными в инженерных расчетах на сегодняшний день являются квазитрехмерные методы, основы которых были заложены в работах Ву-Чунг-Хуа и Степанова Г.Ю. Отмечается, что большой вклад в изучите рабочего процесса, а также постановку и численную реализацию квазитрехмерных и трехмерных методов расчета потока в проточной части гидротурбин внесли работы отечественных ученых: Викторова Г.В., Жуковского М.И., Казачкова Л.Я., Климовича В.И., Моргунова Г.М., Раухмана Б.С., Топажа Г.И., Этинберга И.Э. и др. Распространенность квазитрехмерных методов объясняется их высокой оперативностью, апробированностью и значительно меньшими требованиями к вычислительным ресурсам по сравнению с трехмерными. Квазитрехмерные методы используются при решении оптимизационных задач (напр., работы Климовича В.И., Федорова А.В.), обеспечивая при этом достаточно высокую точность определения интегральных показателей гидротурбин. С практической точки зрения важным преимуществом квазитрехмерной модели является возможность строгой постановки и решения обратных задач проектирования лопастных систем. Теоретически обоснованные постановки обратных трехмерных задач практически отсутствуют. В связи с этим в обзоре особое внимание уделено различным постановкам и подходам к решению квазитрехмерной задачи, в которой трехмерный поток рассматривается как совокупность так называемого основного

и дополнительного потоков. Отмечается, что используемые в настоящее время квазитрехмерные методы, позволяют достаточно точно определить кинематику осредненного потока. Иначе обстоит дело с определением локальных параметров. Это связано с тем, что на практике обычно ограничиваются расчетом основного потока, полученного в результате решения осесиммет-ричной и решеточной задач. В тех же работах, где производится расчет дополнительного потока, принимается ряд допущений, которые мохуг привести к значительной погрешности получаемых результатов. Кроме того, в существующих работах определение дополнительного потока проводится на основе решения трудоемкой краевой задачи. Это делает использование подобных подходов затруднительным при оптимизации лопастной системы, когда требуется проводить многовариангаые расчетные исследования (Вопрос расчета дополнительных течений в лопастных системах гидротурбин рассматривался, например, в работах Викторова Г.В., Климовича В.И. и др.). Отмечается, что результаты экспериментальных и теоретических исследований показали наличие интенсивных дополнительных течений в решетках РК гидротурбин и пренебрегать ими при проектировании высокоэффективных лопастных систем нельзя. Однако учет их влияния на гидравлические показатели гидротурбин изучен недостаточно. Также остается малоизученным вопрос учета дополнительных течений при проектировании новых РК. На основании выполненного обзора и его анализа, делается вывод о необходимости разработки теоретически обоснованного метода расчета дополнительных течений и потерь, обусловленных данным потоком, а также учета их влияния на интегральные характеристики гидротурбины. Ввиду большого количества сопряженных задач, возникающих при решении данной проблемы (когда зачастую результаты решения одной задачи являются исходивши данными для другой), представляется целесооб-разным разработать ППП, объединенных на общей информационной основе и позволяющий определять кинематику трехмерного потока на лопастях РК гидротурбин и прогнозировать их основные гидравлические показатели.

ГЛАВА 2 посвящена разработке методики расчета обтекания трехмерным невязким потоком лопастных систем гидротурбин, а также определению потерь, обусловленных дополнительным течением. В соответствии с квазитрехмерной моделью расчета потока, вектор полной относительной скорости IV = С—1/ условно представляется в виде суммы скоростей основного 1¥а и дополнительного 1У() ~ С^ потоков, где Жа ~С0 —V , Са - вектор абсолютной скорости, а II = (оК - переносная скорость(*у - угловая частота вращения РК). Под основным понимается поток, полученный в результате комплексного решения осесимметричной задачи расчета осредненного в окружном направлении потока и задачи расчета обтекания решеток профилей на криволинейных осесимметричных поверхностях тока 8¡Ср

осредненного потока. Методы решения указанных задач достаточно хорошо разработаны и здесь не рассматриваются. Будем считать, что параметры основного потока на поверхности лопасти, а также кинематика осредненного потока в проточной части гидротурбины известны. В этом случае расчет обтекания лопастей трехмерным потоком по существу сводится к определению дополнительных скоростей С() , зная которые можно вычислить значения полных скоростей. Решение задачи производится в криволинейной ортогональной системе координат (],(,-[ > п которой координатные линии г/у

совпадают с образующими осесимметричньгх поверхностей 8/с[] , линии <72 нормальны к (]/ и лежат в меридиональной плоскости, а координаты <7з направлены в окружном направлении по вращению РК. В этой системе координат вектор скорости основного потока С0 имеет составляющие С/ , 0, С3о , а дополнительного С^ , соответственно, С¡^ , С^ , С^ , причем С20 =0 и С2 =0. Здесь и в дальнейшем черта сверху относится к осредаенным в окружном направлении величинам. Для решения задачи используются следующие полные и осредненные уравнения движения идеальной жидкости в форме Громеко-Ламба, а также дополнительные условия, справедливые на поверхности лопасти:

(

I

^ 1

0 / Яв

А

Е-

е ко

с1Ш = — с1п>(вп) +-А

0 Я0

(п-Шо) = 0 , (п-Сд) = 0

п3;

1 ^ —(Я х С) \п3

П

пз

Е =

IV2 - и2

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 р

где Е -удельная энергия жидкости в относительном движении, 11 — го(С , р - давление, р - плотность, © - угловая ширина межлопастного канала, п(п},Н2,п3) - вектор нормали к поверхности лопасти. Знак А означает разность значений функции / на рабочей (р) и тыльной (т) сторонах лопасти, т.е. Д/" = /р • Учитывая, что параметры осред-

ненного потока непосредственно связаны с перепадами скоростей на поверх-

ности лопасти (см. формулы (1),(2),(3)), в данном случае решение задачи можно существенно упростить, если все величины на поверхности лопасти, входящие в формулы (4),(5),(6) заменить через средние значения fcp и

перепады AJ по формуле:

fPT=fcp±4f/2 , где fcp = (fp +fj)/2 (7)

Уравнения (1-6), преобразованные с учетом выражения (7), записываются в проекциях на оси принятой криволинейной системы координат (qj, q2, q^J. После некоторых преобразований получена замкнутая система уравнений, позволяющая определить значения трех проекций вектора скорости дополнительного течения (2 s) > а также значения энергии Е и давления р

в расчетных точках на рабочей и тыльной сторонах лопасти. Эта система уравнений решается методом последовательных приближений. В работе выполнен анализ полученных уравнений, на основе которого был найден наиболее оптимальный алгоритм численной реализации данной задачи, обеспечивающий быструю сходимость процесса последовательных приближений и высокую точность расчета. В частности, доя обеспечения заданной точности Е =0,01 (что соответствует отличию результатов расчета текущего приближения от предыдущего не более, чем на 1% ) требуется всего 5-10 приближений. Полный расчет дополнительного потока в РК гидротурбины при расчетной сетке (20X35) на каждой стороне поверхности лопасти занимает около 2 мин. на ПЭВМ с процессором Pentium-150. В главе 2 предложена методика расчета потерь энергии, обусловленных наличием дополнительного течения, которое приводит к росту мощности потока за РК вследствие увеличения неравномерности скоростей и энергии в окружном направлении на выходе из лопастной системы. Это увеличение мощности может рассматриваться (по аналогии с индуктивными потерши) в качестве потерь энергии. В работе получена следующая зависимость для расчета указанных относительных потерь:

h = ¡(ACiCj +2AG • АС1д)М1 (8)

о

где Q расход, Н - напор, AG - перепад энергии на выходе из РК в абсолютном движении. Интегрирование в формуле (В) производится поперек потока за РК от камеры к втулке вдоль линии = const. Рассмотрено также влияние дополнительного потока на профильные потери, которые для лопастных систем гидротурбин высокой и средней быстроходности могут быть определены достаточно точно без учета вторичных течений в погра-

ничном слое, аналогично применяемому подходу к расчету указанных потерь в решетках профилей, расположенных на поверхностях S[ср. В работе

использовалось уравнение импульсов, которое было преобразовано с учетом наличия дополнительных течений во внешнем (по отношению к пограничному слою) потоке. Представлена численная реализация. ГЛАВА 3. Посвящена анализу эффективности и точности разработанных методов путем сопоставления результатов расчета кинематики потока в лопастных системах с тестовым аналитическим решением, с результатами расчета по трехмерной задачи других авторов, а также с данными эксперимента. В п.3.1 представлены результаты расчета завихренности дополнительного течения в плоском криволинейном канале с постоянной кривизной. Они сопоставляются с известным для этого случая аналитическим решением Сквайра и Винтера, которое подтверждено экспериментально. Получено хорошее согласование указанных результатов, свидетельствующее о достоверности и теоретической обоснованности предложенной методики. В п.3.2 представлены расчетные исследования трехмерного потока в неподвижной круговой решетке с различным наклоном лопаток в окружном направлении, а также во вращающемся PK радиальноосевой турбины. Расчеты проводились двумя методами: предложенным в данной работе и методом решения трехмерной задачи, разработанным Грязшшм Ю.А., Черным С.Г. и применяемым в АО ЛМЗ. Отмечается, что полученные двумя указанными методами осред-ненные в окружном направлении параметры потока практически совпадают, а локальные значения скоростей на поверхности лопасти отличаются незначи-тельно(см. рис. 1 и 2). В п.3.3 дается сопоставление экспериментальных исследования по зондированию потока в прямых пространственных решетках с различными углами наклона лопаток, проведенные Быковым A.A., с расчетными данными, полученными по разработанному методу (см. рис.3). Из рисунка видно, что учет дополнительного течепия позволяет сблизить результаты расчета и эксперимента по сравнению с параметрами основного потока. Получено хорошее согласование для всех рассмотрешшх вариантов, особенно в средней зоне лопатки. Отличие наблюдалось только возле ограничивающих стенок, что объясняется большим влиянием вязкости и значительной погрешностью эксперимента в этой области. В п.3.4 результаты расчета сопоставляются с данными эксперимента по зондированию пространственног о потока во вращающемся колесе РО гидротурбины, выполненного на ЛМЗ. Представлены кинематические характеристики, полученные по данным расчета и эксперимента, а также значения коэффициентов давления на поверхности лопасти. Отмечается достоверность картины течения, определенной на основе предложенного метода. Результаты расчета показали, что течение в PK происходит не вдоль осесимметричных поверхностей, а имеет ярко выраженный пространственный характер. Например, на рабочей стороне имеет место течение жидкости поперек лопасти от верхнего обода к нижнему,

что полностью согласуется с экспериментом.

В ГЛАВЕ 4 рассмотрены вопросы, связанные с разработкой и апробацией пакета прикладных программ (ГШП) по проектированию РК гидротурбин и прогнозированию их гидравлических показателей. В н.4.1 представлена уточненная методика расчета универсальной характеристики гидротурбины, основанная на расчете баланса потерь энергии и определении линий постоянного открытия направляющего аппарата (НА) а0 = const. (Вопрос расчета баланса потерь в гидротурбинах рассматривался в работах Гольдина А.В., Климовича В.И., Кузьминского С.С., Пылева И.М., Раухмана Б.С., Топажа Г.И., Этинберга И.Э. и др. авторов). Для расчета различных видов потерь энергии в данной работе использовались методики, предложенные упомянутыми авторами, однако в отличии от этих методах при определении КПД турбины был выполнен учет влияния дополнительного потока на отдельные виды потерь. Здесь же предложена оперативная методика прогнозирования параметров оптимального режима и расчета значений КПД в окрестности этого режима на основе решения квазитрехмерной задачи только для одною режима. Методика базируется на физически обоснованном допущении о сохранении формы поверхностей Slcp при незначительном удалении от

точки оптимума и постоянстве поточных углов выхода относительного потока в густых решетках РО гидротурбин. Она позволяет значительно сократить время расчетов, обеспечивает при этом достаточно высокую точность получаемых результатов. В п.4.2 дается описание разработанного ППП, предназначенного для автоматизированного проектирования и прогнозирования гидравлических параметров гидротурбин. Для указанного пакета был создан ряд прикладных, геометрических и сервисных программ. В него вошли также несколько известных и хорошо зарекомендовавших себя в инженерной практике программ других авторов. Все программы объединены на общей информационной основе и могут функционировать как под управлением программы-монитора, так и автономно. Это обеспечивает гибкость в работе, а также легкость модернизации и пополнения пакета, который характеризуется высокой оперативностью и незначительными требованиями к вычислительным ресурсам. Приводятся результаты расчетов с помощью разработанного пакета по прогнозированию основных гидравлических показателей и определению универсальных характеристик для нескольких типов гидротурбин различной быстроходности, дается сопоставление с экспериментальными данными. Показано, что учет дополнительных течений позволяет приблизить результаты расчета баланса потерь к экспериментальным данным. Это видно из рис. 4, где представлены рабочие расчетные и экспериментальные характеристики для гидротурбин типа Р075 и ПЛЗО. В таблице 1 приведены параметры оптимального режима для различных вариантов РК гидротурбин, которые позволяют сделать вывод об эффективности и точности определения указан-

кых параметров с помощью разработанного ППП. 3 п.4.4 выпошено расчетное исследование влияния компоновки решеток PR' поьоротнолопастной (ГШ) гидротурбины на ее энергетические показатели. Дается сопоставление полученных результатов с данными аналогичных уникальных экспериментальных исследований, выполненных Этинбергом И.З. Исследовались три варианта РК лопасти которых имели одинаковые, но по разному скомпонованные, цилиндрические сечения. Расчеты показа™ существенное влияние компоновки решеток на интенсивность дополнительного потока. По данным расчета, вариант РК, е котором дополнительные скорости были минимальны, имеет максимальное значение КПД, что полностью соответствует результатам эксперимента. Таким образом, на основе данного ППП можно не только правильно прогнозировать энергетические характеристики расчетных вариантов РК, ¡ю и в ряде случаен объяснить причины, вызывающие ухудшение этих характеристик, а также выявить резервы для их дальнейшего совершенствования. Указанное обстоятельство имеет важное практическое значение. В п.4.5 предложен способ учета дополнительного потока при проектировании новых РК гидротурбин на основе решения обратной квазитрехмерной задачи. Тем самым впервые стало возможным учитывать указанные течения в процессе проектирования нового РК, а также проводить поиск оптимальной формы лопастной системы, обеспечивающей наименьшие потери энергии. В качестве примера рассмотрены результаты проектирования на основе предложенного подхода быстроходного РК типа Р075. Согласно результатам расчета удалось разработать высокоэффективное РК, которое по своим показателям превосходит один из лучших номенклатурных вариантов данной быстроходности. В ПРИЛОЖЕНИЯ вынесены вывод формул для определения средних скоростей дополнительного потока и выражения для их перепадов. В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты работы:

1. Разработана и численно реализована методика расчета дополнительного потока в лопастных системах гидротурбин, которая позволяет оперативно и с высокой точностью определить поле скоростей на поверхности лопасти

на основе квазитрехмерной модели.

2. Разработан пакет прикладных программ по совместному расчегу основного и дополнительного потоков. Созданный пакет требует значительно меньше вычислительных ресурсов (оперативной памяти и времени использования процессора), чем обычно необходимо для решения трехмерных задач. Это имеет важное практическое значение при проектировании и оптимизации гидравлических показателей РК гидротурбины, когда приходится проводить многовариантные массовые расчетные исследования.

3. Разработана и численно реализована методика расчета потерь энергии, обусловленных наличием дополнительного потока. Предложена методика, позволяющая оперативно оценить изменение профильных потерь (без учета вторичных течений в пограничном слое), вызванное наличием дополнитель-

ного потока.

4.Выподнено сопоставление результатов расчета кинематики пространственного потока на поверхности лопасти по предложенному методу, с результатами, полученными на основе решения трехмерной задачи других авторов, а также с известным аналитическим решением Сквайра и Винтера, подтвержденного экспериментально. Получено хорошее согласование указанных результатов, что свидетельствует о теоретической обоснованности и точности предложенной методики. Проведена оценка влияния дополнительного потока на результаты расчета кинематики трехмерного потока на поверхности лопасти. Показано, что учет дополнительного потока позволяет существенно сблизить результаты полного квазитрехмерного и трехмерного решений.

5. Проведены расчетные исследования кинематики трехмерного потока в неподвижных плоских решетках с различным наклоном лопаток, а также в РК РО гидротурбины и дано сопоставление полученных результатов с экспериментальными данными. Выявлено достаточно хорошее их согласование, что также свидетельствует о достоверности результатов, полученных по разработанной методике. Выполненные расчеты подтвердили подученный ранее экспериментально вывод о том, что в рабочем колесе РО гидротурбины дополнительные скорости могут быть весьма значительными.

6. Разработана и численно реализована уточненная методика расчета универсальной характеристики гидротурбины, учитывающая потери энергии, обусловленные дополнительным потоком. Предложена и запрограммирована новая оперативная методика прогнозирования параметров оптимального режима и определения значений КПД в его окрестности. Показано, что указанная оперативная методика может эффективно использоваться при оптимизации гидравлических показателей гидротурбины.

7. Разработан пакет прикладных программ по автоматизированному проектированию РК гидротурбин и прогнозированию их основных гидравлических показателей. Выполнены многочисленные расчетные исследования гидравлических показателей реактивных гидротурбин различной быстроходности на основе использования разработанного пакета. Проведет! сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными, которые показали надежность предлагаемых методов и высокую эффективность использования пакета для прогнозирования указанных показателей. Учет потерь, обусловленных дополнительным потоком, позволяет существенно сблизить результаты расчета и эксперимента (параметры оптимального режима, линии постоянного открытия НА, значения КПД на различных режимах работы). В наибольшей степени сказанное относится к быстроходным гидротурбинам, в РК которых наблюдаются весьма интенсивные дополнительные течения. Об этом свидетельствуют проведенные расчетные исследования влияния компоновки решеток профилей на энергетические показатели ГШ гидротурбины и согласование их с экспериментальными данными.

-138. Выполнен учет влияния дополнительного течения при проектировании новых быстроходных PK гидротурбиЕ1 на основе решения обратной квазитрехмерной задачи. Работа выполнялась в соответствии с хоз. договором с ЛО J1M3. В результате было создано высокоэффективное PK типа РО 75, которое по данным расчетных исследований превышает более чем на 1% одно из лучших номенклатурных колес данного типа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Захаров A.B. Вторичные течения невязкой жидкости в решетках гидро-маптн.//Труды ПИМаш: Конструкции и рабочий процесс гидротурбин. 1997, с. 51-58.

2. Захаров A.B., Топаж Г.И. Исследование вторичных потерь,обусловленных дополнительным потоком в PK гидротурбины. //Тезисы докладов МНТК Совершенствование энергетических и транспортных турбоустановок методами мат. моделирования и физ. эксперимента. Змиев, 1994,ч.Ш, с. 7.

3. Захаров A.B., Топаж Г.И. Исследования вторичных течений невязкой жидкости в рабочем колесе РО гидротурбины. //Гидротехническое строительство, 1994, N12, с.12-16.

4. Захаров A.B., Топаж Г.И. Расчетные исследования структуры вторичного потока в лопастных системах радиальноосевых гидротурбин. //Гидротехническое строительство, 1997, N2, с.18-22.

5. Захаров A.B., Топаж Г.И. Расчет вихревого пространственного течения идеальной жидкости на лопастях рабочих колес гидротурбин. //Тезисы докладов МНТК, посвященной 150 летию со дня рождения Н.Е.Жуковского. Москва, МГТУ им. Баумана,1997, с.30.

6. Захаров A.B., Топаж Г.И. Пакет прикладных программ по проектированию рабочих колес гидротурбин и прогнозированию их гидравлических показа-телей.//Сборник докладов МНТК Совершенствование турбоустановок методами математического и физического моделирования, г .Змиев, 1997,с.418-421

7. Захаров A.B., Орго Н.В., Топаж Г.И. Проектирование быстроходного радиальноосевого рабочего колеса типа Р075. //Труды ПИМаш: Конструкции и рабочий процесс гидротурбин. 1997, с.42-47.

8. Захаров A.B., Сабышев A.C., Топаж Г.И. Разработка противоугонного рабочего колеса РО гидротурбины для малых ГЭС. //Труды ПИМаш: Конструкции и рабочий процесс гидротурбин. 1997, с.47-51.

Рис 1 .Линии тока осредненного течения б круговой решетке с навалом И переподы ПРОЕКЦИЙ скоростей на логгаткЕ в сечении н,

О - ТРЕХМЕРНОЕ РЕШЕНИЕ ) П - РОЗРаВОТОННЫИ МЕТОД ) х -КВаЗИТРЕХМЕРНОЕ РЕЫЕНИЕ БЕЗ УЧЕТО ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПОТОКО,

-0.5

-1.0

Рис Н.СоставляюциЕ относительных скоростей на робочей стороне лопасти Р0 колесо вдаль среднеи линии тока <7=0,50//2я)

Рис З.РасПРЕДЕЛЕНИЕ скоростей на поверхности лопатки плоской решетки с навалом 5= 45° в сечении 1-1 ( схемо навала лопатки показана на рис. 1)

□- разработанный метод; х- эксперимент)

О - КВПЗИТРЕХМЕРНЫЙ РОСЧЕТ БЕЗ УЧЕТО ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ТЕЧЕНИЯ,

Пр61ов/МИН

а -разравотанный метод; о -трехмерное решение,

90.

85 .1

80, .1

гидротурбино ПУ110/592(^=0°) пр160

об мин

+

+

+

+

+

О [Л/с] +

п,' =83 2Ё_ ^ мин

1000. 1100. 1200. 1300. 1400. 1500. 1600.

95 т-рш гидротзрвина Р075 -'-оооб 90 .1

85 £ [Л/с]

■ I | ' 1 | | ■ ' ' |_

800. 900. 1000. 1100. 1200. 1300. Н00.

Рис Ч.Зависимости ^-ш'^при гГ-сог^

эксперимент) росчет без учето дополнительного потока; - росчет. с учетом дополнительного потока.

Таблица 1. Параметры оптимального режима РО и ПЛ гидротурбин различной быстроходности ( 0.1' [л/с]; пГ [об/мин]; КПД Ш ).

Параметр Р015 Р045 Р075 Р0115 Р0170 ПЛ30

<р = 0°

расч. й1' 1630 1250 1100 880 600 915 1150 1350

пГ 94 82 83 73 70 133 130 125

КПД 90,5 93,8 92,5 93,9 94,2 90,8 90,5 90,2

эксп. 0.1' 1550 1210 1060 880 590 850 1110 1330

пГ 96 82,5 82,5 75 69 125 125 123

кпд 91,2 92, 1 91,75 92,7 92,8 90 90 90

Ч - угол установки лопасти рабочего колеса