Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. Цели и задачи работы 12
1.1. Основные задачи гидродинамического расчета 12
1.2. Методы гидродинамического расчета 14
1.3. Трехмерные методы расчета 16
1.4. Цели и задачи диссертационной работы 28
2. Выбор параметров модели расчета вязкого течения 30
2.1. Расчетная сетка 30
2.1.1. Исследование влияния типа элементов на примере расчета течения в отсасывающей трубе
2.1.2. Исследование влияния количества элементов гексаэдральной расчетной сетки на интегральные и
локальные параметры
2.2. Используемые модели турбулентности 45
2.2.1. Описание используемых моделей турбулентности 46
2.2.1.1. Стандартная к-є модель турбулентности 46
2.2.1.2. RNG к-є модель 48
2.2.1.3. Realizable к-8 модель 48
2.2.1.4. Стандартная к-со модель турбулентности 49
2.2.1.5. Модель к-со с дополнительным уравнением переноса касательного напряжения
2.2.2. Исследование влияния моделей турбулентности на картину течения
2.2.2.1 Расчет течения в криволинейном канале 51 і
2.2.2.2. Исследование влияния модели турбулентности во вращающейся системе координат
2.2.2.3. Влияние модели турбулентности на картину течения в отсасывающей трубе
2.3. Влияние выходного граничного условия 65
2.4. Влияние нестационарной постановки задачи на решение 65
2.5. Модели взаимодействия между подвижными и 68
неподвижными частями
2.5.1 Описание моделей взаимодействия 68
2.5.2 Исследование модели взаимодействия «ротор-статор» на 70 примере расчета течения в рабочем колесе насоса с
выходом потока в направляющий аппарат
2.6. Рекомендации по выбору параметров модели расчета течения 76
вязкой жидкости
3. Методика расчета трехмерного вязкого течения в гидротурбине 80
3.1. Методика построения расчетных сеток 80
3.1.1 Построение расчетной сетки в СК 81
3.1.2 Построение расчетной сетки для НА и РК 89
3.1.3 Построение расчетной сетки для ОТ
3.2. Задание граничных условий 95
3.3. Параметры решателя 96
3.4. Обработка результатов 96
4. Прогнозирование характеристик гидротурбин различного типа на основе расчета трехмерного вязкого течения
4.1. Расчет течения в РО гидротурбине РО 500 98
4.2. Расчет течения в РО гидротурбине РО 230 108
4.3. Расчет течения в РО гидротурбине РО 75 117 \
4.4. Расчет течения в ПЛ гидротурбине ПЛ 20 132
4.5. Расчет течения в ПЛ гидротурбине ПЛ 15 1 5. Заключение 148
6. Литература
- Трехмерные методы расчета
- Стандартная к-є модель турбулентности
- Построение расчетной сетки в СК
- Расчет течения в ПЛ гидротурбине ПЛ 20
Введение к работе
Актуальность темы обусловлена необходимостью прогнозирования с высокой точностью энергетических характеристик гидротурбин. Для малых (до 5 МВт) и некоторых средних станций проведение испытаний модели неоправданно дорого и многие фирмы для контроля энергетических параметров требуют проведения расчетов с использованием коммерческих пакетов программ. Визуализация результатов расчета кинематики трехмерного течения, информация о потерях и распределении исследуемых параметров в проточной части гидротурбины дают возможность на стадии проектирования понять пути достижения более высоких значений КПД, получить информацию о моментах на лопатках направляющего аппарата и лопастях рабочего колеса, величине осевой силы, которые необходимы конструктору для принятия решений о выборе сервомотора, подшипника и т.д.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка методики прогнозирования энергетических характеристик гидротурбин на основе расчета течения вязкой несжимаемой жидкости. Для выполнения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:
-
Выполнить систематические исследования влияния постановки трехмерного численного моделирования на основе комплекса ANSYS FLUENT на результаты расчета течения вязкой жидкости и прогнозирования интегральных энергетических характеристик гидромашин.
-
Разработать методику расчета течения в радиально-осевых (РО) и поворотно-лопастных (ПЛ) гидротурбинах от входа в спиральную камеру до выхода из отсасывающей трубы. Определить рациональные параметры расчетной модели: тип и размер сетки, модель турбулентности, граничные условия и другие.
-
Разработать методику расчета интегральных параметров гидротурбин. Рассчитать энергетические характеристики РО и ПЛ гидротурбин различной быстроходности (ns = 80 -600) и провести их сравнение с экспериментальными данными, полученными на модельных стендах.
Методы исследования. Для решения прямых задач гидродинамики гидротурбин использован гидродинамический пакет программ ANSYS FLUENT.
Научная новизна.
На основе систематических численных исследований и экспериментальных данных предложены рекомендации по выбору основных параметров расчетной модели (тип элементов и размер расчетной сетки, вариант модели турбулентности, тип взаимодействия между вращающимися и неподвижными элементами проточной части).
Разработана методика построения экономной гексаэдральной расчетной сетки для спиральных камер с колоннами статора РО и ПЛ гидротурбин, которая позволяет корректно разрешить течение в области пограничного слоя и существенно сократить требования к вычислительным ресурсам и времени расчета.
Разработана методика прогнозирования энергетических характеристик РО и ПЛ гидротурбин на основе расчета трехмерного вязкого течения в гидротурбине в полной постановке (от входа в спиральную камеру до выхода из отсасывающей трубы) на персональном компьютере с использованием программного комплекса ANSYS FLUENT.
Показано, что прогнозирование энергетических характеристик на основе предложенной методики позволяет проводить расчет трехмерного течения вязкой жидкости в стационарной постановке без использования высокопроизводительного кластера и обеспечивает хорошее согласование с результатами эксперимента.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в возможности использования ее результатов для надежного расчетного определения энергетических и мо-ментных характеристик гидротурбин. Разработанная методика применена в ОАО «ТяжМаш» (г. Сызрань) при оптимизации проточных частей гидротурбин типа РО 75 и РО 230.
Выполнены систематические расчеты энергетических характеристик гидротурбин типа Френсиса и Каплана с использованием разработанной методики, которые показали хорошую сходимость с экспериментальными данными, полученными с участием автора при модельных испытаниях гидротурбин на стендах различных исследовательских центров.
Достоверность результатов. Достоверность результатов теоретических исследований подтверждена сравнением с результатами экспериментов, полученных в лабораториях «ЧКД Бланско холдинг», «ЧКД Бланско инжиниринг» (Чехия) и «Турбоинститута» (Словения).
Личный вклад соискателя. В научных публикациях, которые раскрывают основные результаты работы, автору принадлежат:
постановка задачи по расчету течения в проточной части ПЛ и РО гидротурбин;
построение геометрии, расчетной сетки, постановка граничных условий, обработка результатов расчета;
участие в модельных испытаниях гидротурбины Р075 в лабораториях «ЧКД Бланско холдинг» и «ЧКД Бланско инжиниринг» (Чехия);
создание методики прогнозирования энергетических характеристик;
- апробация методик на РО и ПЛ гидротурбинах.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях: III МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтомати-
ка" - СПб, СПбГПУ, 2005; IV МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития" - СПб, СПбГПУ, 2006; МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития" - СПб, СПбГПУ, 2008; МНТК "Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития" -СПб, СПбГПУ, 2010; МНТК "ECOPUMP.RU'2008; "ECOPUMP.RU'2009.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научных работ (в т.ч. 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 79 наименований. Основное содержание работы изложено на 158 страницах (включает 115 рисунков и 4 таблицы).
Трехмерные методы расчета
Необходимо отметить, что проблема создания расчетных сеток заслуживает особого внимания. Так, в работе [39] показано влияние расчетной сетки для двух турбин типа Френсиса на течение в направляющем аппарате и рабочем колесе. Создание специального алгоритма по генерации расчетной сетки в отсасывающей трубе представлено в работе [67].
Появились публикации, в которых проводилось сравнение расчетных и экспериментальных данных [26]. Начали проводиться специальные исследования на основе доплеровского анемометра скорости или PIV системы, результаты которых в дальнейшем позволили верифицировать численные методы. Наиболее сложным для расчета течения элементом считается отсасывающая труба. Наличие двух диффузоров и поворота приводит к сложной, неравномерной картине течения на выходе из отсасывающей трубы. Поэтому в лабораториях проводятся дополнительные исследования по измерению скорости, статического и полного давления в отсасывающих трубах. Полученные экспериментальные данные используются для верификации численных методов, как это сделано, например, в работе Jorge ARPE и Francois AVELLAN [27].
В институте турбомашин в Словении гидравлическая турбина была рассчитана по частям. В работе [36] представлены результаты этих исследований. Была проведена верификация расчетных и экспериментальных данных. Показано, что рассчитанное значение КПД примерно на 3% ниже экспериментального. В этой же работе приведены данные по сеточной сходимости. Разница в КПД при расчетах на грубой и подробной сетках составила 1,5%. При этом количество узлов в «подробной» сетке — достаточно мало. Расчетная сетка в спиральной камере очень грубая, при этом используются нестыкуемый интерфейс между спиральной камерой и статором, статором и направляющим аппаратом. Результаты расчета с использованием программы Task Flow для всей турбины «по частям» опубликованы в работе [26]. В данном исследовании представлено сравнение расчетных и экспериментальных данных. Тем не менее, в работе не показана расчетная сетка, но упоминается, что значение Y+ очень велико. Расхождение с экспериментальными данными превышает 3%. В работе [71] приведены результаты расчетов во всей турбине целиком при помощи ANSYS CFX для разных открытий НА. В таблице 1.1 представлены результаты расчета.
Таблица 1. Открытие На,Мм Модель Турбулентности Расход,кг/сек Рассчинанный напор, м Момент, расч.Н м Момент, эксп.Н м КПД, расч% КПД, эксп.% RNGk-e 19.9 1032 91 k-w 20 995 89.5 своя модель 20.1 1080 91.7 Из таблицы можно видеть, что имеется существенное различие численных результатов в зависимости от используемой модели турбулентности. Наилучшую сходимость с экспериментом дает модель турбулентности SST k-w, в соответствии с которой расчетное значение КПД на 0,2-0,4% ниже экспериментального. В модели автора расчетное значение КПД завышено в среднем на 0,4%. RNG к-е модель дала значение КПД, заниженное в среднем на 0,5%. Наихудший результат показала k-w модель турбулентности - КПД занижен до 2,6 %.
Расчеты в вышеупомянутых работах выполнялись в "стационарной" постановке. Сравнение результатов "стационарного" и "нестационарного" расчётов с использованием ANSYS CFX представлено в работе [41] для трех турбин Френсиса с разным коэффициентом быстроходности. Нестационарный расчет хорошо согласуется с экспериментальными данными. Стационарный расчет дает заниженное значение КПД (рис. 1.5). Анализируется расхождение стационарного и нестационарного расчетов в зависимости от коэффициента быстроходности. (MM) в 4 11.6 H.S 1.0 1.2Discharge t/q0 И 1. Рис. 1.5. Показатели КПД при стационарном расчете [41] Все перечисленные публикации принадлежат зарубежным авторам. В России основным центром, где проводилось развитие численных методов для гидротурбостроения, является в настоящее время ЛМЗ, который совместно с Институтом математики и Институтом вычислительных технологий СО РАН развивает пакет CADRUN. Описание используемых методов расчета, моделей, а также схемы дискретизации представлены в работе [25]. Геометрия проточной части, расчетные сетки строились в системе АСТРА (разработана Институтом математики). Расчет, задание граничных условий и простейший постпроцессор проводились в системе CADRUN-1. При помощи этого пакета на ЛМЗ были выполнены многие проекты. По итогам работ, проведенных вместе с ЛМЗ, была опубликована монография [22], в которой представлены основные направления работы Института вычислительных технологий. В частности, проведено сравнение расчета с экспериментальными данными [22], полученными в лаборатории ЛМЗ для ГЭС Платанавриси (рис. 1.7). Проведено сравнение полей векторов скорости за рабочим колесом (рис. 1.6). Видно хорошее согласование поля скоростей за рабочим колесом. Более поздние версии CADRUN позволяют рассчитывать турбину в полной постановке, появилась возможность моделирования турбулентных течений [22]. В работе приведено сравнение потерь энергии в проточном тракте на разных режимах работы (рис. 1.7). Получено удовлетворительное согласование расчетных и экспериментальных данных. Кроме того, в работе отмечено, что при построении на рис. 1.7 не учтены потери в подводе, то есть различия будут составлять 1-3%, как и у зарубежных авторов.
Параллельно с развитием системы CADRUN на ЛМЗ были проведены расчеты при помощи коммерческого пакета FLUENT. Некоторые результаты исследований опубликованы в трудах МНТК [16,17,18]. В основном публикации связаны с расчетом в отсасывающей трубе, в том числе и в нестационарной постановке [18]. В работе [16] проведено исследование во всей спиральной камере. По результатам численного расчета внесены изменения в статорные колонны в исследуемой области.
Стандартная к-є модель турбулентности
RNG к-є модель основана на к-є модели и получена из точных уравнений Навье-Стокса с использованием математической теории «renormalization group». Модель получена с помощью аналитических методов с различными константами в стандартной к-є модели и дополнительных условий и функций в уравнениях переноса к и е. Изменения в модели привели к следующим улучшениям: - появилось дополнительное условие в уравнении для скорости турбулентной диссипации є, которое улучшает точность решения для высоконапряженных потоков; - в модели учитывается эффект циркуляции турбулентности, который улучшает точность решения для высокоскоростных вращающихся потоков; - в уравнениях используют аналитическую формулу для определения динамической вязкости, что позволяет более качественно рассчитывать турбулентные потоки с низким числом Рейнольдса, но модель работает при качественном сеточном разрешении в области пограничного слоя.
Эти особенности делают RNG к-є модель применимой для более широкого класса задач, чем в случае стандартной к-є модели. 2.2.1.3. Realizable к-є модель
Realizable к-є модель, предложенная Шином, учитывает следующие недостатки традиционных к-є моделей: - новая формулировка турбулентной вязкости, включает в себя параметр Сд, который для различных областей потока принимает необходимое значение, предложенное Рейнольдсом. - используется модель переноса скорости турбулентной диссипации є, базирующаяся на динамическом уравнении пульсационных среднеквадратичных вихрей. Непосредственное преимущество Realizable к-є модели состоит в том, что она более точно предсказывает распределение диссипации плоских и круглых струй. Это также обеспечит лучшее предсказание вращающихся потоков, пограничных слоев, подверженных сильным градиентам давления, отрывных течений и рециркуляционных потоков.
Модели Realizable и RNG к-є должны иметь преимущество по сравнению со стандартной к-є моделью турбулентности для искривленных, вихревых и вращающихся потоков.
У Realizable к-s модели турбулентности имеется недостаток, который заключается в том, что она может завышать или занижать турбулентную вязкость потока, когда вычислительная область содержит одновременно вращающиеся и неподвижные области. Это объясняется тем, что модель использует эффект осредненного вращения при определении турбулентной вязкости.
Стандартная к-го модель, разработанная Вилкоксом (Wilcox) в 1998 году, является эмпирической моделью с уравнениями переноса турбулентной кинетической энергии к и специфической скорости диссипации ГО=Є/АГ. Модель к-ю была модифицирована за последние несколько лет, параметры производства были добавлены в уравнения переноса к и го, что улучшает точность модели при расчете течений с небольшими значениями касательных напряжений.
Турбулентная кинетическая энергия к и специфическая скорость диссипации ю определяются следующими уравнениями переноса: + G.-Y.+S.. (2-9) В этих уравнениях Gk — генерация турбулентной кинетической энергии, вызванная градиентом осредненной скорости; Ga - генерация со; Гк и Tw -эффективная диффузия к и со соответственно; Yk и Ym - диссипация к и со, вызванная плавучестью; sk и sa - источники, определяемые пользователем.
Данная модель имеет англоязычную аббревиатуру SST (Shear-Stress Transport), является разновидностью стандартной к-со модели и была разработана Ментером. Модель эффективно сочетает устойчивость и точность стандартной к-со модели в пристеночных областях и к-є модели на удалении от стенки, для этого к-є модель была конвертирована в формулировку к-со модели. SST к-со модель имеет следующие особенности по сравнению со стандартной к-со моделью: - стандартная к-со модель и преобразованная к-є модель объединяются смешивающей функцией. Смешивающая функция в пристеночной области принимает значение единицы, которая активизирует стандартную к-со модель, а на удалении от стенки принимает значение нуля, который активизирует преобразованную кг-є модель; - определение турбулентной вязкости модифицировано, что необходимо для представления уравнения переноса касательных напряжений; - отличаются константы модели турбулентности.
Эти особенности делают SST к-со модель более надежной и точной для широкого диапазона турбулентных потоков (потоки с неблагоприятными градиентами давления, аэропрофили, околозвуковые ударные волны). 2.2.2. Исследование влияния моделей турбулентности на картину течения
Построение расчетной сетки в СК
Получившаяся расчетная сетка представлена на рис. 3.5. Под расчетной сеткой представлен график качества расчетной сетки. Схожим образом была построена расчетная сетка для другой СК с плоским верхом (рис. 3.6). В этом случае использовались те же самые рекомендации, но топология немного отличается. В дальнейшем рекомендуется использовать созданные шаблоны для трапециевидных спиральных камер. В этом случае пользователю просто необходимо заново провести ассоциацию и передвинуть узлы. Данным способом были получены расчетные сетки для ПЛ 15, ПЛ 20, ПЛ 30.
Принципиальным образом отличается построение расчетной сетки для безмоментной СК. На рис. 3.6 представлена импортированная в ICEM CFD геометрия спирального подвода с колоннами статора. Для улучшения качества расчетной сетки в CAD пакете необходимо подготовить дополнительные кривые, к которым будет осуществлена привязка блоков (рис. 3.7).
Дополнительные кривые Рис. 3.8. Структура блоков в спиральном подводе Топология для плоских статорных колонн аналогична трапециевидной СК. Существенные отличия в самом спиральном подводе - он круглый, поэтому необходимо использовать «О» топологию внутри СК. Наиболее сложной частью при создании гексаэдральной расчетной сетки является зуб СК. На рис. 3.8 представлен топологический вариант решения этой геометрической задачи.
На рис. 3.9 представлена расчетная сетка для СК. В правом нижнем углу выведено качество расчетной сетки. Сетка удовлетворяет требованиям решателя Fluent [75]. Построенные блоки в дальнейшем были использованы при создании расчетной сетки для турбин РО 230 и РО 75.
Построение расчетной сетки в межлопаточном канале до сих пор остается острой проблемой для трехмерного моделирования. Сложная форма геометрии лопасти, сложные обводы — все это делает затруднительным быстрое построение расчетной сетки. Коммерческие препроцессоры выделяют специальные модули для построения расчетной сетки в межлопаточном канале. Такие модули есть в GAMBIT, IGG, продуктах ANSYS. Поработав со всеми из них, автор предлагает использовать для построения расчетной сетки в НА и РК AutoGrid от NUMECA. Данный продукт наиболее удобно, быстро и качественно позволяет создать расчетную сетку для НА и колес турбин типа Френсиса и Каплана. Наиболее удобная форма передачи данных - из CAD пакета. Но самое главное - это высокое качество расчетной сетки.
Для создания расчетной сетки в AutoGrid необходимо определенным образом подготовить геометрию. В файле должны быть представлены: - обводы проточной части (втулка и периферия); - одна лопатка НА или лопасть рабочего колеса (поверхность должна выходить за обводы проточной части); - линии входной и выходной кромки; - при наличии зазора необходимо составить текстовый файл, где в координатах RZ описывается поверхность, обрезающая лопасть РК.
На рис. 3.10 представлено окно импорта из CAD пакета в AutoGrid. Для того, чтобы геометрия прочиталась, необходимо указать программе втулку (Link to Hub), периферию (Link to Shroud), лопасть/лопатку (Link to Blade), входную кромку (Link to Leading Edge) и выходную кромку (Link to Trailing Edge). Если выходная кромка подрезана, достаточно указать одну из кромок. Г Check Surfaces
Визуализация импортированной геометрии в пакете AutoGrid Результат импортирования геометрии из CAD пакета можно просмотреть в двух проекциях: изо и меридианной (рис. 3.11). Можно отметить, что NUMECA сама достраивает расчетную область и автоматически строит сетку за обтекателем гидротурбины. Для построения расчетной сетки необходимо просто запустить «Start Row Wizard», после проверки геометрии выдается окно (рис. 3.12), в нем необходимо указать тип турбины, вращающаяся или неподвижная это решетка и количество лопастей.
Построение расчетной сетки в сечении После построения расчетной сетки в меридианном направлении программа строит расчетную сетку в межлопаточном канале. По умолчанию это среднее сечение. В меню (рис. 3.14) можно изменять только количество ячеек. Одновременно можно видеть качество расчетной сетки: угол скошенности и относительное удлинение. Одновременно можно визуализировать расчетную сетку, как это представлено на рис. 3.14. Далее программа сама позволяет строить трехмерную расчетную сетку. Если в расчетной области присутствует обтекатель, то необходимо задать параметры в специальном меню (рис. 3.15).
После получения расчетной сетки ее можно экспортировать во FLUENT. При передаче расчетной сетки NUMECA не очень удобно расставляет граничные условия для расчетной области. По этой причине их приходится переобозначать. Делать это можно в ICEM CFD или в GAMBIT. На рис. 3.16 обозначены граничные условия для расчетной области НА-РК. Получить сетку во всем НА можно при помощи ICEM CFD. В этом случае не будет периодических граничных условий в НА. Вход в НА и выход из СК стыкуются как интефейсная поверхность.
Расчетную сетку в отсасывающей трубе рекомендуется строить в ICEM CFD. Наиболее сложный вариант, с обтекателем и бычком на выходе, представлен на рис. 3.17. В некоторых случаях (РО гидротурбинах) расчетная сетка около обтекателя строится в AUTOGRID. В этом случае построение расчетной сетки в ОТ упрощается. Рис. 3.17. Геометрия ОТ, импортированная в ICEM CFD Топология, которую предлагается использовать для построения расчетной сетки в ОТ, известна. В некоторых статьях [63] ее называют "butterfly" топология. На рис. 3.18 представлены блоки, необходимые для разбиений в ОТ. От входа до выхода из ОТ протягивается «О» блок. «О» топология используется около выходного бычка. В районе входного обтекателя, также формируется «О» блок. Данная топология, позволяет «прижать» расчетные ячейки к стенкам и обеспечить необходимое значение первого пристеночного узла, обеспечить необходимые параметры по наклонности ячеек и создать небольшую расчетную сетку хорошего качества. Данная расчетная сетка может быть использована для дальнейших CFD расчетов.
Расчет течения в ПЛ гидротурбине ПЛ 20
На малых открытиях отсасывающая труба работает плохо и имеет очень большие потери энергии. Кроме того, данный вихрь создает большие пульсации в отсасывающей трубе. На оптимальном режиме течение намного спокойнее. Нет выраженного центрального вихря в конусе отсасывающей трубы. Наблюдается слабая закрутка потока за рабочим колесом. Это говорит о том, что циркуляционные потери в нем небольшие, что также является доказательством хорошей работы отсасывающей трубы. В режиме правее оптимума наблюдается небольшая положительная циркуляция за рабочим колесом, начинает зарождаться центральный жгут. При дальнейшем открытии направляющего аппарата данное вихревое течение будет усиливаться. Возможна ситуация, когда за счет расхода можно достичь большего значения мощности, но пульсации на данном режиме такие, что станции запрещают работать на данных режимах.
По представленным рисункам можно видеть все виды потерь в гидротурбине, однако 3D расчет не позволяет количественно выделить эти потери. CFD-задача может дать только интегральное значение потерь, которое можно сравнить с экспериментальным.
Для данной турбины были проведены модельные испытания с участием автора. Модель изготовили полностью гомологичной натуре. Диаметр модели - 320 мм. Испытывалась данная модель в трех лабораториях (ЧКД Бланско холдинг, ЧБЕ и в Турбоинституте). 3D модель стенда ЧКД представлена на рис. 4.32. Вода от питательных насосов через систему задвижек поступает к модели, из модели вода попадает в вакуумный бак, затем по трубам вода идет обратно к насосам. Схема замкнутая. На прямом участке расход измерялся электромагнитным расходомером KROHNE. Датчиком перепада давления Rosemount измерялся напор на модели, датчиком оборотов - количество оборотов, динамометром измерялся момент на валу модели. КПД модели рассчитывался по формуле 3.3.
Напор на модели регулировался оборотами основных питательных насосов. Изменением частоты вращения вала модели изменялась приведенная частота вращения пп =-т=. Открытие направляющего аппарата VН регулировалось вручную. Для всех 9 открытий направляющего аппарата снималось по 9 точек с различными приведенными оборотами. По полученному массиву данных Qll, nil, л строилась энергетическая универсальная характеристика. Для сравнения с результатами расчета брался «разрез» по универсальной характеристике. Для фиксированного напора (исследуемого), фиксированных оборотов (натуры) и диаметра натуры рассчитывалось значение nil. На универсальной характеристике проводилась линия, соответствующая этим приведенным оборотам. Строилась зависимость КПД от расхода. Расход натуры пересчитывался по формуле 4.4:
Общая относительная погрешность определения КПД на модели турбины определена из систематической и случайной погрешности. Относительные систематические погрешность установлены калибровкой средств измерения датчиками более высокого класса точности:
Калибровка датчика напора проводилась калибратором давления ВЕАМЕХ 5.3, класс точности прибора 0.02. Систематическая погрешность определения напора не превосходила fsH = ±0,05 %.
Калибровка расхода проводилась весовым способом на специальном оборудовании лаборатории ЧКД Бланско. Вода проходила через электромагнитный расходомер KHRONE, попадала в бак, находящийся на весовом устройстве. Погрешность определения расхода не превышала fsQ = ±0,15 %.
Калибровка динамометра производилась гирями массой 12 кг. Плечо динамометра измерялось рукой Фаро. Погрешность определения момента не превосходила fSM±0,1 %.
Калибровка датчика оборотов проводилась при помощи частотомера. Погрешность определения оборотов не превышала fsn = ±0,05 %.
Зависимость приведенного значения КПД от приведенного расхода для результатов расчета и экспериментальных данных представлены на рис. 4.33. Эксперимент проводился в лабораториях CKD Blansko a.s. (CKD), CKD Blansko Engineering (СВЕ) и Turboinstitute. Видно хорошее согласование расчетных и экспериментальных данных. В Турбоинституте КПД получился чуть выше. Связано это с тем, что для модели было изготовлено новое рабочее колесо и для модели была применена новая система зазоров, что дало возможность поднять КПД модели на 0.4-0.8%. Схожие результаты показывает и трехмерный расчет, что позволяет рекомендовать его для построения прогнозных характеристик.
