Вплив просторової форми лопатей робочих коліс насос-турбіни на характеристики потоку в турбінному режимі

Автори

А. В. Русанов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: rusanov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0002-9957-8974

В. Г. Суботін, Акціонерне товариство «Українські енергетичні машини» (61037, Україна, м. Харків, пр. Героїв Харкова, 199), e-mail: office@ukrenergymachines.com, ORCID: 0000-0002-2489-5836

О. М. Хорєв, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: oleg_xo@ukr.net, ORCID: 0000-0001-6940-4183

Ю. А. Биков, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: bykow@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0001-7089-8993

П. О. Коротаєв, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: korotaiev@gmail.com, ORCID: 0000-0002-7473-9508

Є. С. Агібалов, Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного НАН України (61046, Україна, м. Харків, вул. Пожарського, 2/10), e-mail: agibalov@ipmach.kharkov.ua, ORCID: 0000-0003-3866-9992

Анотація

У чисельний спосіб досліджено вплив просторового профілювання за допомогою колових навалів лопатей радіально-осьових робочих коліс насос-турбін з напорами до 200 м на структуру потоку і енергетичні характеристики. Як вихідний варіант прийнято модель проточної частини радіально-осьової насос-турбіни Дністровської ГАЕС. Спроєктовано дві нові лопатеві системи, що відрізнялися від вихідного варіанта взаємним розташуванням розрахункових перерізів у коловому напрямі: із позитивним і негативним навалом, при цьому форма самих перерізів залишалася незмінною. Моделювання нестисливої течії в’язкої рідини в розрахункових областях, що містили по одному каналу напрямного апарата і робочого колеса, трьох варіантів проточних частин виконано за допомогою програмного комплексу IPMFlow на основі чисельного інтегрування рівнянь Рейнольдса з додатковим членом, що містить штучну стисливість. Для врахування турбулентних ефектів застосована диференціальна двопараметрична модель турбулентності SST Ментера. Чисельне інтегрування рівнянь проводиться з використанням неявної квазімонотонної схеми Годунова другого порядку точності за простором і часом. Дослідження проведено для моделей з діаметром робочого колеса 350 мм в широкому діапазоні відкриттів напрямного апарату при приведених частотах обертання, що відповідають мінімальному, номінальному і максимальному напорам на станції. Наведено порівняння полів тиску і векторів швидкості в каналах робочих коліс, епюр тиску на лопатях коліс, розподіл компонент швидкості на вході у відсмоктувальну трубу, а також ККД трьох варіантів проточних частин. Зроблено висновок, що найкращі характеристики має розрахункова область з новим робочим колесом РК5217М2 з негативним втулковим коловим навалом. Заплановано експериментальні дослідження трьох коліс на гідродинамічному стенді.

Ключові слова: лопать робочого колеса, радіально-осьова насос-турбіна, проточна частина, коловий навал, чисельне дослідження, просторова течія, структура потоку.

Повний текст: завантажити PDF

Література

1. Renewable Energy Statistics 2022: Report. International Renewable Energy Agency (IRENA): official site. 2022. 450 p. https://www.irena.org/publications/2022/Jul/Renewable-Energy-Statistics-2022.
2. Ландау Ю. Гідроенергетика та її роль у перебудові економіки України. Урядовий кур’єр: офіційний сайт. 2022. Режим доступу: https://ukurier.gov.ua/uk/articles/gidroenergetika-ta-yiyi-rol-u-perebudovi-/ (дата звернення 29.11.2022).
3. Hunt J. D., Zakeri B., Nascimento A., Brandao R. 3-pumped hydro storage (PHS). Storing Energy (Second Edition). 2022 P. 37–65. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824510-1.00008-8.
4. Hydropower Status Report 2022: Report. International Hydropower Association (IHA): official site. 2022. 52 p. https://www.hydropower.org/publications/2022-hydropower-status-report.
5. Flores E., Bornard L., Tomas L., Liu J., Couston M. Design of large Francis turbine using optimal methods. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2012. Vol. 15. Article no. 022023. 9 p. https://doi.org/10.1088/1755-1315/15/2/022023.
6. Abeykoon C. Modelling and optimisation of a Kaplan turbine – A comprehensive theoretical and CFD study. Cleaner Energy Systems. 2022. Vol. 3. Article no. 100017. https://doi.org/10.1016/j.cles.2022.100017.
7. Du J., Ge Z., Wu H., Shi X., Yuan F., Wei Y., Wang D., Yang X. Study on the effects of runner geometric parameters on the performance of micro Francis turbines used in water supply system of high-rise buildings. Energy. 2022. Vol. 256. Article no. 124616. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.124616.
8. Cerriteno A., Delgado G., Galvan S., Dominguez F., Ramirez R. Reconstruction of the Francis 99 main runner blade using a hybrid parametric approach. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 774. Article no. 012074. https://doi.org/10.1088/1755-1315/774/1/012074.
9. Delgado G., Galvan S., Dominguez-Mota F., Garcia J. C., Valencia E. Reconstruction methodology of a Francis runner blade using numerical tools. Journal of Mechanical Science and Technology. 2020. Vol. 34. P. 1237–1247. https://doi.org/10.1007/s12206-020-0222-4.
10. Leguizamon S., Avellan F. Open-source implementation and validation of a 3D inverse design method for Francis turbine runners. Energies. 2020. Vol. 13. Iss. 8. Article no. 2020. https://doi.org/10.3390/en13082020.
11. Rusanov R. A., Rusanov A. V., Lampart P., Chugay M. A. Improving the efficiency of radial-axial rotors of turbine stages through the use of complex lean of trailing edges. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2016. Vol. 19. No. 4. P. 6–11. https://doi.org/10.15407/pmach2016.04.006.
12. Rusanov A. V., Rusanov R. A., Pashchenko N. V., Chuhai M. O. Analytical method of profiling axial-radial compressor impellers. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia. 2018. Vol. 21. No. 4. P. 4–13. https://doi.org/10.15407/pmach2018.04.004.
13. Ma Z., Zhu B., Rao C., Shangguan Y. Comprehensive hydraulic improvement and parametric analysis of a Francis turbine runner. Energies. 2019. Vol. 12. Iss. 2. Article no. 307. https://doi.org/10.3390/en12020307.
14. Ye W., Geng C., Luo X. Unstable flow characteristics in vaneless region with emphasis on the rotor-stator interaction for a pump turbine at pump mode using large runner blade lean. Renewable Energy. 2022. Vol. 185. P. 1343–1361. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.12.129.
15. Yu Z.-F., Wang W.-Q., Yan Y., Wang H.-Y., Wu W.-L. Evaluating energy-efficiency improvement of variable-speed operation with the help of entropy: A case study of low-head Francis turbine. Sustainable Energy Technologies and Assessments. 2022. Vol. 53. Part A. Article no. 102468. https://doi.org/10.1016/j.seta.2022.102468.
16. Iliev I., Tengs E. O., Trivedi C., Dahlhaug O. G. Optimization of Francis turbines for variable speed operation using surrogate modeling approach. Journal of Fluids Engineering. Transactions of the ASME. 2020. Vol. 142. Iss. 10. Article no. 101214. https://doi.org/10.1115/1.4047675.
17. Tengs E., Charrassier F., Jordal M. R., Iliev I. Fully automated multidisciplinary design optimization of a variable speed turbine. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 774. Article no. 012031. https://doi.org/10.1088/1755-1315/774/1/012031.
18. Chirkov D., Filatova A., Polokhin S. Multi-objective shape optimization of Francis runner using metamodel assisted genetic algorithm. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 774. Article no. 012109. https://doi.org/10.1088/1755-1315/774/1/012109.
19. Qin Y., Li D., Wang H., Liu Z., Wei X., Wang X. Multi-objective optimization design on high pressure side of a pump-turbine runner with high efficiency. Renewable Energy. 2022. Vol. 190. P. 103–120. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.03.085.
20. Lestriez R., Calvo D., Mendicino D. Advanced Optimization Tools for Hydro Turbine Runner Design. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 774. Article no. 012001. https://doi.org/10.1088/1755-1315/774/1/012001.
21. Aponte R. D., Teran L. A., Grande J. F., Coronado J. J., Ladino J. A., Larrahondo F. J., Rodriguez S. A. Minimizing erosive wear through a CFD multi-objective optimization methodology for different operating points of a Francis turbine. Renewable Energy. 2020. Vol. 145. P. 2217–2232. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.07.116.
22. Линник А. В., Рябова С. А., Варенко В. Д., Рябов А. В., Хорев О. Н. Расчетные и экспериментальные исследования проточных частей ПЛ20 для модернизации гидротурбин Кременчугской гидроэлектростанции. Проблемы машиностроения. 2016. Т. 19. № 3. С. 12–19. https://doi.org/10.15407/pmach2016.03.012.
23. Rusanov A., Khorуev O., Agibalov Y., Bykov Y., Korotaiev P. Numerical and experimental research of radial-axial pump-turbine models with spliters in turbine mode. In: Nechyporuk M., Pavlikov V., Kritskiy D. (eds.). Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering – 2020. ICTM 2020. Lecture Notes in Networks and Systems. Cham: Springer, 2021. Vol 188. P. 427–439. https://doi.org/10.1007/978-3-030-66717-7_36.
24. Bykov Y., Khoryev O., Korotaiev P., Dedkov V., Agibalov Y. Numerical investigation of unsteady flow in draft tube with ribs. 2022 IEEE 3rd KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek). 2022. P. 589–594. https://doi.org/10.1109/KhPIWeek57572.2022.9916461.
25. Krzemianowski Z., Steller J. High specific speed Francis turbine for small hydro purposes – Design methodology based on solving the inverse problem in fluid mechanics and the cavitation test experience. Renewable Energy. 2021. Vol. 169. P. 1210–1228. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.01.095.

Надійшла до редакції 30.11.2022