Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований водоподводящйх устройств низконапорных насосных станций с горизонтальными агрегатами 16
1.1. Классификация подводящих устройств
1.2. Краткий обзор экспериментальных исследований подводящих устройств 25
1.3. Обобщение методик определения параметров водоприемников ГЭС и ПЭС с капсульними агрегатами 31
1.4. Явление воронкообразования и его учет при работе гидроэнергетической установки 37
1.5. Выводы 43
2. Методика выбора оптимальных параметров водоподводя-щего устройства 45
2.1. Общие положения 45
2.2. Математическая модель блока НС с капсульным агрегатом 48
2.3. Алгоритм и блок-схема решения задачи бз
3. Планирование и экспериментальные средства исследований 67
3.1. Использование методов математического моделирования для планирования физических экспериментов 67
3.2. Описание стенда и экспериментальной установки 79
3.3. Условия моделирования блока НС 89
3.4. Описание моделей подводящих устройств . 96
3.5. Методики проведения исследований и контрольно-измерительная аппаратура 99
3.6. Оценка погрешностей измерений и
вычислений при экспериментальных исследованиях ИЗ
4. Энергогидравлические исследования подводящего устройства блока нс с капсульным агрегатом 119
4.1. Структура и характер движения жидкости в подводящем устройстве 119
4.2. Анализ влияния варьируемых размеров ПУ на гидравлические характеристики 124
4.3. Результаты энергетических исследований блока НС при варьировании размерами ПУ . 141
4.4. Анализ влияния воронкообразования на энергетическую характеристику блока НС 153
4.5. Выводы 163
5. Пример практического использования методики выбора параметров б0д0п0дв0дящег0 устройства . 165
5.1. Характеристика объекта 165
5.2. Формализация исходной информации 165
5.3. Анализ результатов расчета 172
5.4. Выводы 175
Заключение 176
Литература
- Краткий обзор экспериментальных исследований подводящих устройств
- Математическая модель блока НС с капсульным агрегатом
- Описание стенда и экспериментальной установки
- Анализ влияния варьируемых размеров ПУ на гидравлические характеристики
Введение к работе
В соответствии с решениями ХХУІ съезда КПСС и "Основными направлениями развития народного хозяйства на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года" [ І ] в СССР ведется широкое строительство крупных насосных станций для различных отраслей народного хозяйства. — Интенсивное развитие топливно-энергетического комплекса страны [ 2 ] и связанное с этим строительство мощных атомных и тепловых электростанций требует создания крупных насосных станций для нужд охлаждения. На I млн.кВт установленной мощности АЭС и ТЭС требуется 55 - 60 м5/с воды. Следовательно, в перспективе можно ожидать строительство насосных станций для нужд технического водоснабжения АЭС с производительностью 600 - 900 м /с и напорами от 12 - 15 м (при наличии пруда-охладителя) до 24 -28 м (при охлаждении с помощью градирен).
В настоящее время существенно возросли темпы водохозяйственного строительства. Площади орошаемых земель к 1985 году необходимо довести до 20,8 млн.га, а к 1990 году до 23 - 25 млн.га [51]. В "Продовольственной программе СССР на период до 1990 года" [3] указывается: "Осуществить до 1990 года строительство объектов первого этапа переброски части стока северных рек в бассейн реки Волги, а также каналов Волга-Дон, Ростов-Краснодар и Дунай-Днепр . В соответствии с этими решениями, например, для канала Дунай-Днепр необходимо создание каскада крупных насосных станций производительностью I очереди 600 м- /с.
В рамках разрабатываемой в СССР единой государственной системы регулирования и межбассейнового перераспределения водных ресурсов [4о], ведутся проектные проработки по схемам переброски северных рек в бассейн реки Волги и сибирских рек - в Среднюю Азию и Казахстан [39, 51]. Насосные станции, необходимые для осуществления этих проектов, имеют параметры, которые значительно превышают существующие аналоги. Так, для первого этапа северной и сибирской переброски требуются насосные станции с подачей до 1000 м5/с и напором от 6 до 26 метров. При этом, потребуется создание высокопроизводительного, энергоэкономичного насосного оборудования с единичной подачей до 200 м3/с [21, 22, 62].
Выполненные технико-экономические расчеты [16, 24, 26, 72] показывают, что для указанных диапазонов целесообразно использовать различные типы оборудования: на напоры до 15 метров - горизонтальные капсульные агрегаты, на напоры 16 - 28 метров - вертикальные осевые. Наиболее изученными и применяемыми в практике строительства в настоящее время являются блоки НС с вертикальными агрегатами [49].
Исследования компоновочных решений различных типов вертикальных агрегатов, отработка элементов проточного тракта нашли отражение в работах [15, 28, 37, 81, ІЗЗ]. В работах [30, 31, 41, 71, ЮоД рассматриваются вопросы определения и исследования режимов работы вертикальных агрегатов в натурных условиях, в том числе, переходные и стационарные процессы в водопроводящем тракте. В то же время, крупные насосные станции на напоры до 15 метров исследованы, по нашему мнению, недостаточно. Следует отметить, что для рассматриваемого диапазона напоров компоновочные решения насосной станции во многом определяют энергетические и гидравлические характеристики блока. Анализ гидравлических потерь, приведенный в [б8, 102] показывает, что для низконапорных НС доля потерь внутри блока (без учета потерь в лопастной системе) для различных компоновочных решений может изменяться от 4 до 20$ от действующего напора, причем, с увеличением коэффициента быстроходности насоса эта доля увеличивается. Поэтому, для низконапорных НС с быстроходными осевыми колесами особенно актуаль 9
на задача выбора энергетически и гидравлически наивыгоднейшей компоновки агрегатного блока.
Анализ современного состояния вопроса выбора компоновочного решения крупных горизонтальных насосных агрегатов показывает, что наибольшее распространение получили компоновочные решения, которые можно представить тремя типами:
1) агрегатный блок с двигателем, вынесенным за пределы потока в отдельное помещение;
2) горизонтальный шахтный агрегат;
3) горизонтальный капсульный агрегат.
Как отмечается в работах Аршеневского Н.Н., Васильева Ю.С., Виссарионова В.И., Карелина В.Я., Рычагова В.В., Флоринского М.М., Чебаевского В.Ф. и других l0, 24, 47, 72, 112, 116 наиболее перспективным насосным блоком на напоры до 15 метров, является горизонтальный капсульный агрегат. Отмечается высокая энергетическая эффективность, возможность укрупнения агрегата, сравнительно низкая удельная стоимость такого агрегата. Однако, как указывается в [21, 47, 72, 75], обоснованное суждение о степени эффективности того или иного агрегата можно составить только на основе их экспериментального сравнения. Учитывая вышеизложенное, а также то обстоятельство, что до настоящего времени целенаправленных исследований насосного агрегата капсульного типа не проводилось, становится ясным актуальность исследований такого агрегата и разработки методики выбора оптимальных габаритных размеров блока НС.
Среди элементов водопроводящего тракта горизонтального низконапорного насосного агрегата водоподводящее устройство (ПУ) является одним из важнейших элементов, которое формирует поле скоростей на входе в рабочее колесо, в значительной степени определяет коэффициент полезного действия агрегата. Кроме того, подводящее устройство горизонтального агрегата определяет габаритные размеры блока НС и, следовательно, в значительной степени влияет на стоимость подводной части здания НС и гидромеханическое оборудование. На важность этих факторов и необходимость их учета указывается в работах Виссарионова В.И., Карелина В.Я., Чебаевского В.Ф. и др. [36, 72, 112, 129].
Учитывая важность ПУ в составе водопроводящего тракта НС а также отсутствие целенаправленных исследований и методики определения параметров ПУ горизонтального агрегата, автор определил Ш,ь, ДИддщадио.ниАЙ Шті - разработка методики обоснования параметров подводящего устройства блока крупной насосной станции с горизонтальным капсульным агрегатом на основе комплексных модельных энергогидравлических исследований.
Цель работы отвечает научному направлению кафедры "Использование водной энергии", связанному с многолетними исследованиями перспективных типов крупных насосных станций с осевыми колесами, а также работам, ведущимся на кафедре в соответствии с Постановлением Совета Министров СССР по разработке научно-технических основ проектов региональной переброски части стока северных и сибирских рек (Проблема 0.85.06).
Компоновочное решение блока НС с горизонтальным капсульным агрегатом является наиболее эффективным при его использовании на низкие напоры. Однако, технико-экономический анализ и сопоставление с другими решениями [іб, 21, 25, 2б], производится на основе прогнозных характеристик, а габаритные размеры принимаются по аналогии с агрегатами ГЭС. Отсутствие реальных энергетических и гидравлических характеристик не позволяет провести более тщательный и детальный анализ и получить достоверный результат.
Исходя из этого, формулируется первая задача, исследований;
I. Изучить энергетические свойства блока НС с горизонтальным капсульным агрегатом и низовым расположением капсулы. Ис II
следовать структуру потока в ПУ и оценить влияние различных типов ПУ и размеров капсулы на энергогидравлические характеристики блока НС,
Изучение движения воды в ПУ и вопросы работы насосного агрегата при колебаниях уровня нижнего бьефа, привело исследователей к необходимости исследования воронкообразований в НБ при работе насосных агрегатов [72, 81, 99, 156, 162], Учитывая важность данного вопроса, влияние воронкообразования на структуру потока в ПУ и выбор отметки рабочего колеса насосного агрегата поставлена вторая задача исследований:
2, Изучить явление воронкообразования и засасывания воздуха ,в НБ блока НС с горизонтальным капсульным агрегатом и разработать рекомендации по выбору критической величины заглубления
всасывающего отверстия.
Полученные в результате решения двух первых задач данные по энергогидравлическим характеристикам блока НС с учетом варьирования размерами ПУ и капсулы, а также рекомендации по определению отметки оси рабочего колеса с учетом явления воронкообразования позволяют решить третью задачу исследований:
3. Разработать методику технико-экономического обоснования
ПУ блоков НС с горизонтальными капсульными агрегатами.
Поставленные научные задачи исследований предопределяют выбор методических средств для их реализации. Автором на разных этапах исследований привлекались различные методические средства, которые давали максимально достоверный результат при наличии информации, имеющейся на данный момент. По этому критерию выделено три идддеддвздй:
На первом этапе исследований применялись методы литературного анализа, математического моделирования и численного эксперимента на ЭВМ, с привлечением методов оптимального планирования экспериментов, отвечающие имеющемуся уровню информации об объекте исследований.
На втором этапе - этапе экспериментальных исследований использованы методы физического моделирования на крупномасштабной установке.
На третьем этапе - технико-экономических расчетов применены методы оптимизаций параметров объектов на основе разработанных автором математических моделей оборудования, сооружений, энергопроцесса и др.
При этом каждый метод исследований потребовал решения ряда сопутствующих вопросов, которые можно сгруппировать следующим образом:
При математическом моделировании:
1. Проанализировать существующие методики исследования течений в элементах водопроводящего тракта гидроэнергетических установок и выбрать приемлемый метод, отвечающий предъявленным требованиям.
2. Составить план численного эксперимента, математическую модель, алгоритм и блок-схему решения задачи.
3. Проверить достоверность полученных результатов, сопоставить их с результатами физического эксперимента.
При физическом моделировании:
1. Разработать проект и создать универсальный стенд и экспериментальную лабораторную установку для исследования капсуль-ных агрегатов низконапорных НС.
2. Оснастить стенд и установку комплексом контрольно-измерительной аппаратуры.
3. Разработать и изготовить сменные ПУ блока НС.
4. Разработать методику энергогидравлических исследований ПУ блоков НС с капсульними агрегатами и методику исследования воронкообразования.
5. Провести несколько серий лабораторных энергогидравлических экспериментов с ПУ различного типа и размеров. При технико-экономических расчетах:
1. Обобщить имеющийся опыт определения параметров элементов и сооружений ГЭУ, выбрать критерий оптимизации,
2. Разработать модели основного и вспомогательного оборудования, строительной части, энергопроцесса, с учетом областных и функциональных ограничений.
3. Составить алгоритм и программу расчета на ЭВМ оптимальных параметров блока НС с ГКА, учитывающую энергогидравлические и технико-экономические показатели блока НС.
С методической точки зрения принята следующая последовательность проведения исследований:
1. Предварительное определение рациональных пределов варьирования размеров ПУ для физического эксперимента на основе математического моделирования.
2. Энергогидравлические испытания ПУ, имеющих предварительно найденные размеры, на экспериментальной физической установке.
3. Разработка рекомендаций по выбору оптимальных форм и размеров ПУ на основе выполненных исследований путем технико-экономических :расчетов.
Цаучдал новизна работы определяется следующими положениями:
- впервые разработана методика определения параметров водо-подводящего устройства блока крупной НС с капсульным агрегатом;
- впервые получены энергогидравлические характеристики во-доподводящих устройств блока НС с капсульным агрегатом;
- разработана уточненная математическая модель блока НС с капсульным агрегатом, учитывающая взаимосвязь энергогидравлических характеристик агрегата и технико-экономических показателей блока НС;
- предложена конструкция экспериментальной установки, защищенная авторским свидетельством, позволяющая ускорить проведение энергогидравлических исследований;
- реализован при численном моделировании на ЭВМ движения жидкости в подводящем устройстве метод конечных элементов;
- разработана новая методика изучения влияния воронко образования в подводящем устройстве на энергетическую характеристику блока НС, основанная на использовании средств промышленного телевидения и видеозаписи;
- впервые даны рекомендации по определению заглубления рабочего колеса капсульного агрегата с учетом явления воронкообра-зования.
Практическая ценность. Реализованная на ЕС ЭВМ методика позволяет при проектировании более обоснованно и с меньшими затратами времени по сравнению с традиционными методами определять параметры элементов блока НС с капсульным агрегатом, а использование фактических энергогидравлических характеристик блока НС вместо прогнозных дает возможность точнее обосновывать режим работы НС.
Реадиздция, работа. Результаты работы используются в институте Союзгипроводхоз при обосновании параметров насосных станций трасс переброски части стока рек, в Ташкентском институте инженеров ирригации и мелиорации сельского хозяйства и ЛПИ им.М.И.Калинина при проведении НИР и в учебном процессе, что подтверждается актами и справками об использовании (см. приложение).
Отдельные результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ЛПИ им.М.И.Калинина: в лекционные курсы "Гидроэнергетические установки" и "АСУ и математические методы моделирования в гидроэнергетике", а на созданном в лаборатории стенде и экспериментальной установке выполняются лабораторные работы и дипломные проекты студентами специальности 0307 " Гидроэлектроэнергетика". Отдельные фрагменты выполненной работы отмечены премией на конкурсе научно-исследовательских работ ЛеНТОЭ и ЭП в 1980 году.
Экспериментальная часть работы выполнена в лаборатории Гидроэнергетических установок на стенде, в проектировании, строительстве и отладке которого автор принимал непосредственное участие в качестве ответственного исполнителя. Математическое моделирование и технико-экономические расчеты выполнены на ЭВМ EC-I022 Учебно-вычиелительной лаборатории гидротехнического факультета ЛПИ, а также на ЭВМ М-220 и EC-I060 Математического отдела ВНЙЙГ им.Б.Е.Веденеева (зав. лаборатории к.т.н. Л.Б.Сапожников) .
Автор выражает глубокую признательность заведующему кафедрой использования водной энергии д.т.н. профессору Ю.С.Васильеву и научному руководителю д.т.н. профессору В.И.Виссарионову за постоянную помощь и поддержку, а также сотрудникам кафедры Заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д.т.н. профессору Д.С.Щавелезу, профессору Г.А.Претро, к.т.н. доцентам И.С.Само-рукову, Б.А.Соколову, М.П.Федорову, зав. УВЛ к.т.н. ст.н.с. Л.И.Кубышкину за полезные замечания и советы по улучшению работы. Автор благодарен сотрудникам и аспирантам лаборатории Гидроэнергетических установок, совместно с которыми был создан экспериментальный стенд и модельная установка.
Краткий обзор экспериментальных исследований подводящих устройств
Двишение жидкости в подводящем устройстве является сложным пространственным течением вязкой жидкости в ограниченном объеме, для которого в настоящее время не представляется возможным получить точное теоретическое решение. Поэтому важное значение в этих условиях приобретают экспериментальные исследования, накопление опытных данных, их систематизация и анализ.
Автору известны результаты исследований ПУ горизонтальных осевых агрегатов, выполненных во БНЙИГидромаше, МВТУ, ЛПЙ и других организациях.
В работе [бз] приводятся результаты исследований ПУ агрегатного блока с двигателем над всасывающей трубой. Авторы указывают, что применение такого ПУ увеличивает неравномерность поля скоростей перед рабочим колесом и гидравлические потери. В таблице I.I приведены некоторые результаты исследований.
Здесь 5л - приведенный коэффициент сопротивления, вычисляемый авторами по формуле: t — -& «эл Ь рс где " коэффициент сопротивления; FK - площадь, соответствующая наружному диаметру рабочего колеса; Fc - площадь в контрольном сечении на выходе из подвода; Kv - коэффициент неравномерности, г/ — УмАКС.-УмИН. где (дка Умин.» V - максимальная, минимальная и средняя скорости в контрольном сечении по окружности, соответствующей среднему радиусу сечения» Сопоставляя полученные результаты с выполненными по другим типам ПУ, следует отметить следующее: 1. Коэффициент сопротивления данного типа подвода выше, чем у других типов, например, коленчатого (= 0,11 [l33j), при этом за счет потерь энергии в подводе, ф снижается на 2 - 2,5$. 2. Наличие проходного вала увеличивает коэффициент сопротивления подвода более, чем на 20$» 3. Неравномерность потока на выходе в двухколенчатом подводе меньше, чем в коленчатых всасывающих трубах, за счет примене-нияпрофилированных статорных колонн.
Исследования ПУ шахтного агрегата [бз] были проведены применительно к агрегату ОПГ-400 Г. Результаты гидравлических иссле»о дований ПУ приведены в табл.1.2.
В работе [17] приведены результаты исследований на воздушном стенде элементов модели шахтного агрегата с видоизменяемыми очертаниями подводящей камеры без учета рабочего колеса. Как указывают авторы, суммарный коэффициент сопротивления блока находится в пределах 5= 0,18 - 0,26. Коэффициент сопротивления ПУ шахтного агрегата, вычисляемый по формуле оценивается величиной І - (0,07 - 0,16). По результатам исследований авторы рекомендуют использовать ПУ шириной около ЗД-j-, а на переходных участках избегать крутых наклонов пола, потолка и боковых стенок, т.к. это ведет к появлению радиальных сносов потолка в зоне рабочего колеса. Следует отметить значительное расхождение величин коэффициента сопротивлений, приведенных в [l7j и [бЗ], что, по нашему мнению, можно объяснить проведением испытаний на моделях различного класса: аэродинамической модели без рабочего колеса [17] и гидравлической [бЗ].
Видно, что подвод шахтного агрегата имеет значительное гидравлическое сопротивление, и даже в лучшем своем варианте, при его использовании на низконапорной НС приводит к потере в ПУ до 2,5 - 3,0% энергии.
Интерес к компоновочному решению блока НС с капсульным агрегатом особенно возрос в связи с разрабатываемыми в нашей стра 28 не проектами переброски части стока северных и сибирских рек в южные районы страны, Дунай, Днепр и другие. В ряде организаций, таких, как Союзгипрводхоз, ВНИИГидромаш, ЛПИ, МИСИ, Укргипровод-хоз и других, проводятся проектные и научно-исследовательские работы по отработке компоновочного решения блока НС и его отдельных элементов.
Так, в ЛПИ им.М.И.Калинина, на кафедре использования водной энергии создан специальный стенд для физического моделирования блока НС с капсульним агрегатом [32], на котором проводятся энергетические, гидравлические исследования блока НС с капсульным агрегатом, а также изучение явления воронкообразования в нижнем бьефе. Выполнен цикл исследований течения воды в подводящем устройстве на математической модели с использованием метода конечных элементов [зз].
Имеются также данные о выполненных во ВНИИГидромаш исследованиях подводящих устройств капсульного агрегата на аэродинамической модели [П4].
Большинство авторов, выполнявших исследования и технико-экономические сопоставления, указывают на преимущество компоновочного решения с низовой капсулой по сравнению с размещением капсулы на напорной стороне [21, 68І, хотя имеются случаи и другого мнения [ібб]. В настоящих исследованиях за основной принят вариант низовой компоновки капсулы, являющийся, по нашему мнению, более перспективным. Исследования варианта блока НС с капсулой на напорной стороне вынесены в качестве задачи дальнейших исследований.
Математическая модель блока НС с капсульным агрегатом
Критерий оптимальности, записанный в виде (2.1), представляет обобщенную форму записи при обосновании параметров НС с учетом приведения к единому базисному году строительства. Однако, в случае строительства в течении одного года фактор времени не учитывается. В этом случае выражение (2.1) для оптимизационной схемы блока НС с капсульным агрегатом будет иметь вид: к где K-L [Х-А - совокупные капитальные вложения по I элементам 14 6 оборудования и сооружений, входящим в агрегатный блок для каждого рассматриваемого варианта ; Л( )+ИШ- ежегодные издержки по вариантуХ; 3С(Х,)- затраты по сопредельным сооружениям и мероприяти-4 ям, изменяющиеся от варианта -.
На целевую функцию (2.2) накладываются областные и функциональные ограничения 36, 48]. Областные ограничения учитывают технические, технологические, транспортные границы варьируемых параметров. Запись этих ограничений имеет вид: где Ц- индекс функции областных ограничений. Функциональные ограничения характеризуют внутренние связи между параметрами: ву[Хй,Хл,...Х),...Хш)-0 (2- ) где V- номер уравнения, характеризующего взаимосвязь между параметрами Капитальные вложения в агрегатный блок НС складываются из стоимости строительных работ (земляные и строительно-монтажные работы) и стоимости гидросилового, электрического и вспомогательного оборудования. Рассмотрим подробнее составляющие капитальных вложений, входящие в зависимость (2.2).
Модель земляных работ представляет собой алгоритм вычисления контура объекта и строительного котлована по геометрический размерам блока НС с учетом рельефа и характеристик грунта. Основы построения цифровых моделей рельефа, геологии, сооружений для САПР гидроэнергетических объектов заложены в работах Ю.С.Васильева, И.В.Гармиза, В.А.Кукушкина и др. В данной работе автор использовал цифровую модель рельефа (ЦМР), основанную на применении регулярной сетки разбивки поверхности земли с применением билинейной интерполяции [25, Зб]. Применение данного алгоритма интерполяции рельефа оправдано сравнительно пологим рельефом, который имеет место в зоне строительства низконапорных НС, возможностью увеличения точности за счет уменьшения шага сетки без значительного увеличения объема памяти и времени расчета на ЭВМ по сравнению с другими методами (например, методом бикубической интерполяции).
Цифровая модель геологии (ЦМГ) строится на основе информации о геологических свойствах грунта в совокупности опорных точек и алгоритма интерполяции. ЦМГ базируется на предположении о плавном изменении свойств и характеристик грунта между опорными точками каркаса. С помощью ЦМР и ЦМГ определяются объемы грунтов разной категории, которые необходимо вынуть и перемес тить в отвал. Стоимость земляных работ складывается из стоимости разработки и транспортировки объема грунта каждой -й категории К13Лі [ ( ig-bLje, (2.5) где FK. FK-I - площади контуров выемки в створах К и К-і регулярной сетки; ALK - шаг регулярной сетки; j/к - относительная кривизна оси сооружения; С, укрупненная стоимость разработки и транспорзш- ровки грунта 2-й категории.
Объем бетонных работ предложено определять с использованием коэффициента заполненияЦ35], зависящего от типа здания НС, создаваемого напора и диаметра рабочего колеса. Стоимость бетонных работ найдем по зависимости: Ки =[0,55 -0,0ЬЦ{\-Щ)}1. -СЬ1 (2.6) где Ь - длина агрегатного блока ъ \ -м варианте; Б;6Л- ширина агрегатного блока в і -м варианте; hi - высота агрегатного блока в і-м варианте; Сбі - укрупненная стоимость I м бетона.
Высота подводной части и\ агрегатного блока НС с капсульним агрегатом зависит от выбора отметки рабочего колеса насосного агрегата vPK} , от размеров подводящего устройства В; , диаметра рабочего колеса Ди, а также от грунтов, слагающих основание. С учетом этого, величину я\ определим по зависимости:
Описание стенда и экспериментальной установки
Матрица [Hj представляет глобальную матрицу координат отдельных узлов, матрица-вектор (Г) - глобальный вектор нагрузок, состоящий из вкладов отдельных элементов, а матрица-вектор ф] -глобальную матрицу узловых неизвестных.
Полученная система (3.29) представляет собой систему линейных уравнений, которая решается относительно узловых неизвестных. Для решения данной системы, порядок которой очень большой, используют специальные программы для ЭВМ, примеры которых приведены в [60, 65, 79, 108, Ц8].
Вся информация о конфигурации ПУ, граничных и начальных условиях вводится в ЭВМ. В результате расчетов вычисляется для каждого варианта матрица значений У в каждом узле, по которой строится совокупность линий равных потенциалов У-const , а также вычисляются проекции вектора скорости на осиХиМ, то есть V - 2 v 1" сз"зг) в характерных сечениях.
В наших исследованиях для каждого варианта из плана эксперимента была составлена расчетная схема с разбиением области ПУ сеткой конечных элементов, пример которой приведен на рис.3.I. В результате расчетов (приложение I) получено распределение линий ifzconbt в двух проекцияхсСОУуі xoz , а также составляющих вектора скорости в сечениях по длине подводящего устройства. На рис.3.2 - 3.3 приведен один из результатов для BQ = 1,8Д и Дк = 1,1Д. Для оценки адекватности математической модели проведено сопоставление результатов расчета с замерами полей скоростей на экспериментальной установке (рис.3.4), показавшее хорошую сходимость результатов.
Результаты численных экспериментов по предложенной методике использованы для вычисления коэффициентов регрессии 0 по формуле (3.3). Более подробно методика и обработка результатов приведены в работах автора [33, 85].
Анализ результатов позволил сделать следующие выводы:
1. Использование методов математического моделирования и теории планирования эксперимента позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований за счет назначения более узких границ варьирования параметрами ПУ.
2. Диапазон варьирования размерами ПУ для экспериментальных исследований выбран в следующих пределах:
специальном стенде, спроектированном и созданном в лаборатории гидроэнергетических установок кафедры ЙВЭ при непосредственном участии автора. Схема стенда представлена на рис.3.5, а его описание дано также в [32, ИЗ].
Стенд состоит из напорного и водосберегательного бассейнов, распределительных трубопроводов, двух баков - верхнего и нижнего бьефов, экспериментальной модельной установки, отводящих трубопроводов и регулирующей запорной аппаратуры. Конструкция стенда разработана таким образом [її], что позволяет осуществлять водо-оборот в пределах экспериментальной установки в прямом и в обратном направлении. В зависимости от характера исследований применяется замкнутая или разомкнутая схема водооборота. Замыкание стенда осуществляется присоединением отводящих трубопроводов (8) к трубе (20). Задвижка (21) при этом должна быть открыта, а электрозадвижка (15) закрыта.
Стенд позволяет проводить комплексные исследования моделей блоков ГЭС, ГАЭС, ПЭС и насосных станций с горизонтальным кап-сульным агрегатом с диаметром рабочего колеса от 350 до 500 мм.
Рабочие параметры стенда лежат в пределах: производительность - до 300 л/с, напор - до 2,5 метров.
Схема водооборота стенда предполагает забор воды из напорного бака лаборатории (I), куда она подается группой центробежных насосов из водосберегательного бассейна.
Водооборот в прямом насосном режиме осуществляется по схеме: вода из бака (I) по трубопроводу (2) через открытую задвижку (15) и решетчатый гаситель энергии поступает в бак нижнего бьефа (3), откуда модельной установкой (5) перекачивается в бак верхнего бьефа (6). Из бака (6) через водоприемник (7) по двум отводящим трубам (8) вода сбрасывается в водосберегательный бассейн (при работе по разомкнутой схеме), либо по трубе (20) вновь поступает в бак (3). Стенд для энергогидравлических исследований блока НС с горизонтальным капсульним агрегатом. І - водосберегательный бассейн; 2 - распределительный водовод; 3 - бак НБ; 4 - подводящий водовод к баку НБ; 5 - модель блока НС; 6 - бак ВБ; 7 - водоприемник из бака ВБ; 8 - отводящие трубопроводы; 9 - расходомер; 10 - двигатель П-72; II - водоприемник из бака НБ; 12 - перепускные трубы; 13 - входная задвижка Ду = 350 мм; 14 - регулирующие электрозадвижки Д_ = 200 мм; 15, 16 - распределительные электрозадвижки; 17 - подводящий водовод к баку ВБ; 18, 19 - телескопичемкие водосбросы; 20 - водовод замкнутого цикла; 21 - задвижка. Для работы в обратном насосном режиме необходимо перекрыть задвижку (15) и закрыть крышкой водоприемник (7). Одновременно открыть задвижку (16) и водоприемник (II). Тогда вода будет поступать в бак (б) и перекачиваться моделью (5) в бак (4). Через открытый водоприемник (II) по перепускным трубам (12) вода поступает в отводящие трубопроводы и затем в водосберегательный бассейн.
Весь стенд выполнен из стали и имеет общую длину более 10 м, высоту более 4,5 м и ширину баков 2 м. Расход поступающей на стенд воды регулируется задвижками (13), (15) и (16). Регулировка уровней воды в НБ производится телескопическими дифференциальными водосбросами, имеющими точность поддержания заданного уровня - I мм.
Для гашения энергии потока воды, поступающей в бак нижнего бьефа, водовыпуск (22) имеет внутри три разделительные пластины и решетчатый гаситель энергии на выходе. Кроме этого, для снижения нестационарных колебательных процессов в самом баке установлены струенаправляющие решетки, а на свободной поверхности в баке нижнего бьефа закреплены плавающие решетчатые успокоители.
Изменение работы установки производится с помощью двух задвижек (14) с электроприводом. Входящая в состав стенда экспериментальная установка (рис.3.6) размещена между двумя баками и имеет свободный доступ, что позволяет проводить монтажные и де-монтажные работы без разборки других элементов стенда. Состав экспериментальной установки следующий: подводящее устройство, рабочее колесо, выправляющий аппарат, отводящее устройство, капсула, вал агрегата, приводной двигатель. Конструкция и чертежи отдельных деталей и узлов более подробно даны в[ПЗ]. По конструкции экспериментальной установки автором получено авторское свидетельство [29].
Анализ влияния варьируемых размеров ПУ на гидравлические характеристики
При варьировании размерами ПУ и обтекаемой капсулы анализировались результаты опытов для следующих условий: I. Тип подвода и его ширина постоянны, диаметр капсулы переменный, т.е. Т=СОПІ і 5 а Const ; Ак VQZ . 2. Т sconst 8 -vaz Дк= const 3. Т VQZ В -const Дк =const
Такой подход позволил задачу многофакторного эксперимента разбить на совокупности однофакторных экспериментов [48], что облегчило анализ и уменьшило объем одновременно анализируемой информации. Рассмотрим казвдую серию отдельно.
Первая серия.В исследованных подводящих устройствах диаметр капсулы изменялся в пределах от 0,676flj до 1,2Д. Установлено, что изменение диаметра капсулы приводит к переформированию поля скорости и структуры потока на выходе из ПУ.
На рис.4-.4 представлено распределение коэффициентов неравномерности составляющей скорости Оу в характерных сечениях А, Д и Е створа Ш-І (рис.3.12) на примере подвода шириной BQ = 2flj. Очевидно, что изменение Дк влияет на величину неравномерности осевой скорости dv. Отметим следующие закономерности: 1. С увеличением Дк неравномерность поля скоростей увеличи вается (так, для сечения А при Дк=о,0д4 -Л =ч i%- -г,г% 2. С увеличением Дк максимальное значение неравномерности сдвигается вправо, т.е. происходит отжатие потока к периферии камеры. 3. Независимо от Дк в середине сечения наблюдается область (fir О
Автором диссертации определены экспериментально углы закрутки потока перед рабочим колесом. Для осреднения локальных составляющих углов по окружностям кольцевого канала при Я const (рис. Ь.№) использовались предложенные автором зависимости:
Графики изменения углов закрутки вектора скорости в радиальном и окружном направлениях при Дк =VQ1 представлены на рис.4.5 и 4.6 для ПУ открытого типа BQ =2,0flj и ПУ закрытого типа В3 = 2,0. Общими закономерностями для обоих случаев является увеличение углов закрутки с увеличением диаметра капсулы. Величина углас/. изменяет свое значение от при Дк = 0,676 до 1= - при дк в 1,2. Как известно [91], угол о6и2 характеризует условия входа по тока на рабочее колесо. Из анализа формулы для теоретического напора [47, 91 ] Hr jfaVui-lrVui) Л..,=0» имеет место безударный вход потока на рабочее колесо следует, что при отсутствии окружной закрутки потока, т.е. при Анализ зависимостей углаог, характеризующего наклон вектора скорости в радиальной плоскости свидетельствует о том, что увеличение Дк приводит к большему изменению оСгъ у внутреннего обтекателя. Это связано с искривлением потока из-за наличия капсу-ллы большего диаметра (в периферийной области при изменении Дк от 0,676Д до I,2flj оС изменяется на 3 - 4, а у внутреннего обтекателя на 9 - 10).
С уменьшением ширины подводящего устройства, варьирование диаметром капсулы качественно картину движения не меняет, однако, количественно величины углов закрутки потока в плоскости ЮЪ возрастают, а в плоскости НОЕ - уменьшаются. Например, при переходе от ПУ с В0 = 2,1Д-- к ПУ с В0 =2,0flj средняя величина угла еСг1 возрастает на II - 15,,а углаоиг уменьшается на 2 - 5.
При исследовании влияния Дк=УОЪ на поля скоростей в выходном сечении учитывался факт стеснения потока и уменьшение живого сечения при увеличении Дк. Исследования показали, что увеличение Дк при Ь-соп&і , приводит к увеличению осредненных по кольцевым сечениям значений неравномерности скорости 0у . На рис.4.7 для закрытого типа ПУ представлены результаты изменения Оу при
Обобщая результаты данной серии опытов, отметим следующее: I. Увеличение Дк независимо от ширины и типа ПУ приводит к смещению максимума Vg к периферии, что влечет за собой снижение эффективности работы корневых сечений лопастной системы рабочего колеса.
