Прогнозирование энергетических и кавитационных характеристик быстроходных радиально-осевых гидротурбин

Введение. Кавитация – это явление, которое возникает в лопастных гидравлических машинах: насосах, гидротурбинах, когда давление в определенной области потока достигает уровня давления насыщенного пара. Ее возникновение зависит от конструкции и режима работы гидротурбины (ГТ). Для того, чтобы спроектировать ГТ с высокими кавитационными качествами необходимо уметь надежно предсказывать это явление.

Цель. В статье приведено описание подходов к моделированию работы радиально-осевых гидротурбин на основе пакета программ ANSYS.

Методы. Лопастная система турбины на напор 75 метров смоделирована с помощью квазитрехмерных методов. Гидродинамические расчёты проведены в однофазной и двухфазной постановках с использованием пакета ANSYS CFX.

Результаты. Выполнено проектирование трехмерной твердотельной модели проточной части радиально-осевой гидротурбины с коэффициентом быстроходности n_s =283. Проточная часть гидротурбины включает спиральную камеру, статор, направляющий аппарат, рабочее колесо и отсасывающую трубу. Проведено расчетное моделирование течения однофазной вязкой жидкости в гидротурбине на разных режимах для построения универсальной характеристики. Найден оптимальный коэффициент полезного действия и рассчитаны характеристики потока. Определены потери в элементах проточной части гидротурбины при различных режимах работы, найдена зона оптимальной работы гидротурбины. Рассчитано кавитационное течение с использованием модели двухфазного потока (вода-пар). Для обеих сторон лопасти рабочего колеса получено распределение давления, по которому можно судить о возможности возникновения кавитации в областях, в которых давление водяного столба меньше давления парообразования. Определено значение критического коэффициента кавитации для трёх наиболее неблагоприятных режимов, построена срывная характеристика – зависимость КПД от коэффициента кавитации. Визуализирована область, занятая паром на лопасти при кавитационном течении, определена ее площадь относительно площади поверхности лопасти.

Выводы. Спроектированная гидротурбина имеет хорошие энергетические и кавитационные качества, подтвержденные расчётом. Полученный вариант гидротурбины может быть использован как первоначальный, с дальнейшей оптимизацией лопастной системы и элементов проточной части, для улучшения энергетических и кавитационных качеств.