Исследование нестационарного течения в модели лабораторной воздушной гидротурбины

Внедрение: 2021 г.

Закрученное течение с образованием прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) в модели отсасывающей трубы гидротурбины изучалось с помощью метода stereo-PIV (particle image velocimetry) и четырех акустических датчиков. Эксперименты проводились на аэродинамической установке в широком диапазоне режимов работы гидротурбины [1].

Рабочий участок представляет собой уменьшенную геометрическую модель отсасывающей трубы Francis‑99 с входным диаметром D = 100 мм. В качестве рабочей среды использовался воздух при атмосферном давлении. Для создания необходимого распределения потока на входе в конус использовалась пара завихрителей: стационарный завихритель, выполняющий роль направляющего аппарата, и поворотный завихритель – аналог рабочего колеса турбины. Пара завихрителей рассчитана на оптимальные условия работы (точка наилучшего КПД), соответствующие объемному расходу Q_c = 48,5 л/с и частоте вращения рабочего колеса 40,5 Гц. В состав экспериментальной установки входила автоматизированная система управления расходом воздуха и частотой вращения ротора. Рабочие параметры установки варьировались от расхода 0,3Q_c до 1,5Q_c для изменения режима работы гидротурбины.

Рисунок 1. Экспериментальная аэродинамическая установка.

Для акустических измерений использовались четыре микрофона Behringer ECM 8000. Сигналы микрофона оцифровывались с помощью АЦП E14‑440 и усиливались с помощью предусилителей Tube Microgain M200. Сигнал частоты ПВЯ был выделен с частотой дискретизации 20 кГц из сигналов давления, полученных четырьмя микрофонами, установленными в вытяжной трубе конуса (рисунок 1).

Как показано на рисунке 2, наибольший пик в энергетических спектрах приходится на случаи 0,3Q_c и 0,5Q_c. 

Рисунок 2. Энергетические спектры пульсаций давления для 0,3Q_c, 0,5Q_c, Q_c и 1,5Q_c.

На рисунке 3 представлена максимальный размах амплитуды доминирующего пика в спектре азимутальной моды m = 1 в зависимости от расхода в диапазоне от 0,35Q_c до 1,5Q_c для более чем 100 точек. Согласно этому рисунку максимальное влияние ПВЯ на стенки конуса наблюдается при расходе 0,5Q_c.

Рисунок 3. Амплитуда пульсаций давления (m = 1) в зависимости от скорости потока.

На рисунке 4 показана последовательность средних течений (по линиям тока и тангенциальной составляющей скорости V_y) от глубокого режима частичной нагрузки (0,3Q_c) к режиму перегрузки (1,5Q_c). Все значения скорости нормированы на объемную скорость потока.

Рисунок 4. Средние значения расхода для различных режимов расхода (0,3Q_c, 0,5Q_c, Q_c и 1,5Q_c).

В выводе статьи авторы отмечают, что ПВЯ наблюдалось для режимов работы с частичной нагрузкой (0,3‑0,7Q_c). Было использовано пространственное разложение Фурье для обработки данных о пульсациях давления, полученных от четырех акустических датчиков. Средние характеристики потока были регистрированы для широкого диапазона режимов работы от глубокого режима частичной нагрузки (0,3Q_c) до режима перегрузки (1,5Q_c). По среднефазовому распределению скоростей идентифицирована пространственная структура ПВЯ для случая максимальных пульсаций давления на конусных стенках отсасывающей трубы (0,5Q_c). Предварительные экспериментальные результаты могут быть полезны для недавних разработок в области теории линейной устойчивости, чтобы идентифицировать структуру ПВЯ как глобально нестабильный режим, запускаемый процессом гидродинамической обратной связи в отсасывающих трубах гидротурбин.

Источник:
I V Litvinov et al 2021 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 774 012044

Разработчик: Литвинов И.В., Шараборин Д.К., Гореликов Е.Ю., Суслов Д.А., Шторк С.И. (Институт теплофизики СО РАН, НГУ, Новосибирск)