Исследования переходных режимов течения в вытяжной трубе модельной гидротурбины

Внедрение: 2021 г.

Необходимость эксплуатации гидротурбины ГЭС в нестандартных и неоптимальных режимах работы продиктована задачей вырабатывать ровно столько электроэнергии, сколько необходимо потребителям электроэнергии в конкретный момент времени. Но неоптимальная работа гидротурбин может вызвать опасные гидродинамические нестабильности в виде разрыва вихря и прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ). Авторами работы [1] исследовано закрученное течение с образованием ПВЯ в модели тяговой трубы гидротурбины Francis‑99 в переходных режимах эксплуатации.

Рисунок 1. Экспериментальная часть: 1 – приводной вал бегунка; 2 – успокоительная решетка; 3 – направляющие лопатки; 4 – бегунок; 5 – прозрачное измерительное окно; 6 – микрофоны; 7 – конус; 8 – кожух бегунка. Прозрачные стрелки показывают направление воздушного потока.

Условия работы турбины варьировались путем непрерывного изменения расхода при постоянной скорости рабочего колеса. Рассмотрен переход от режима частичной нагрузки, когда формируется ядро прецессирующего вихря, к точке наибольшего КПД без ядра. Применительно к этой задаче дается сравнение оконного преобразования Фурье с вейвлет-анализом. Зависимость времени существования ПВЯ в переходном режиме коррелирует с переходным временем. Показано, что профили скорости и спектр пульсаций давления в переходных режимах изменяются квазистатически между режимом работы с частичной нагрузкой и точкой наибольшего КПД турбины. Распределения осреднённых по фазе скоростей в переходных режимах показывают, что переходный режим представляет собой последовательность квазистационарных режимов. Новизна работы заключается в использовании нетрадиционного подхода (моделирование на воздухе) для моделирования переходных режимов работы гидротурбины.

Для акустических измерений использовались микрофоны Behringer ECM 8000. Сигналы микрофона усиливались с помощью предварительных усилителей Tube Microgain M200 и оцифровывались с помощью АЦП E14‑440. 

Для исследования авторы использовали переходный режим от точки частичной нагрузки до точки наибольшего КПД и обратно. Поскольку авторы имеют дело с нестационарными сигналами, то преобразование Фурье не подходит для изучения параметров сигнала. Преобразование Фурье дает только общий вклад гармоник за весь интервал времени. Поэтому авторы использовали оконное преобразование Фурье и вейвлет-преобразование.

Рисунок 2. Спектрограмма, полученная с помощью вейвлет-преобразования Морле.

Следующий эксперимент был проведен по изучению зависимости частоты ПВЯ от расхода. Был реализован переходный режим от расхода 0,4Qc до 0,7Qc. На рисунке 3 представлены спектры пульсации ПВЯ при различных расходах. 

Рисунок 3. Спектры пульсаций прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) при различных расходах.

На рисунке 4 показан график зависимости времени существования ПВЯ от длины участка с изменением расхода для трех различных установившихся времен (1, 3 и 5 с). Зависимость времени существования ПВЯ в переходном режиме обратно пропорциональна скорости переходного процесса. Время переходного режима намного больше одного периода ПВЯ, следовательно, время существования ПВЯ пропорционально времени стационарного участка переходного режима.

Рисунок 4. Зависимость времени существования ПВЯ (PVC timelife) от переходного времени (Time of transient regimes). Время установления составляет 1, 3 и 5 с соответственно.

Условное усреднение распределений скоростей в конусе модели турбины показывает, что распределения скоростей в переходных режимах изменяются квазистатически; то есть они представляют собой последовательность установившихся режимов между работой при частичной нагрузке и точкой наибольшего КПД турбины. Инерция потока играет второстепенную роль в переходных процессах, поскольку один период ПВЯ намного меньше переходного времени. Если время перехода составляет порядка периода ПВЯ, то квазистатическая картина профилей скорости больше будет невозможна. Однако требуется дополнительное исследование эффекта ПВЯ в тех случаях, когда нельзя предположить, что переходный процесс будет намного медленнее, чем вращательное движение ПВЯ. Метод, предложенный в данном исследовании ПВЯ, может быть использован в дальнейших экспериментальных исследованиях эффекта ПВЯ в более быстрых переходных процессах.

Источник:
Litvinov, I.; Suslov, D.; Gorelikov, E.; Shtork, S. Experimental Study of Transient Flow Regimes in a Model Hydroturbine Draft Tube. Energies 2021, 14, 1240. https://doi.org/10.3390/en14051240

Разработчик: Литвинов И., Суслов Д., Гореликов Е., Шторк С. (Институт теплофизики им. Кутателадзе, физический факультет НГУ, Новосибирск)