Оценочное численное моделирование динамики гидротурбины ТВР2 Т90.

     Данный отчет содержит результаты трехмерного CFD моделирования работы гидротурбины.

Проведен CFD анализ для выявления динамика работы турбины, установления показателя момента на валу, мощности турбины и особенности скоростных режимов исходящих потоков, распределения линейных скоростей и давления потока. Показана качественная и количественная картина течения в предложенной конструкции турбины.

ГИДРО-ТУРБИНА, МОМЕНТ НА ВАЛУ, МОЩНОСТЬ, ЭНЕРГИЯ ПОТОКА, ГАЗОВЫЙ ПОТОК, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ, РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ.

Целью данной работы является установления показателя момента на валу, мощности, особенности скоростных режимов исходящих потоков, распределения линейных скоростей и давления потока при работе ветро- гидротурбины.

Для достижения поставленной цели было проведено исследование работы турбины, расположенной в открытом пространстве, под воздействием ветровой и гидравлической нагрузки.

Газодинамическое моделирование проводилось с помощью программных средств ANSYS CFX.

Сделан вывод об эффективности представленной конструкции турбины и о возможном потенциале ее повышения.

Работа выполнена согласно техническому заданию на выполнение трехмерного CFD моделирования работы ветро- гидротурбины.

Объект исследования – трехлопастная осевая турбина, спроектированная по принципиальной схеме прототипа №2 изобретения «Трубо-винтовой ротор», представляющего собой трех элементный продольно-винтовой конфузор, обеспечивающий полный осевой вход и тангенциальный 90 градусный угловой выход потока (Рисунок 1). Имеет переменный радиус втулки. Меридиональном сечении проточная часть формирует конфузор. Наружное кольцо жестко зафиксировано с ротором. Рассмотрено два типоразмера. Диаметром 3600 мм для ветро турбины и 375 мм для гидротурбины. Для всех вариантов принятая масса турбины составляет 30 кг.

Рисунок 5 –Расчетная область для анализа гидротурбины (прототип №2)

Для решения поставленной задачи была построена неструктурированная
тетраэдрическая сетка объёмных конечных элементов (КЭ) (рисунки 6а и 6б).
В зоне вблизи поверхности ротора, где наблюдаются наибольшие градиенты параметров течения, сетка КЭ была уточнена (сгущена).

Моделирование было проведено с учетом течения в пристеночных областях
(в пограничных слоях), со значением "y+", соответствующем заданному режиму.
Для этого, вблизи поверхности турбины были построены призматические слои специальных КЭ с возрастающей (по мере удаления от контура) толщиной ячеек (рисунок 5). Коэффициент последовательного роста толщины равен 1,2.

1.1  Расчет гидротурбины по прототипу №2

Рассмотрена турбина диаметром 375 мм. Расположение турбины вертикальное. Рассмотрен случай выброса воды в воду и в воздух. Так же рассмотрен вариант застопоренной турбины для обеих типов выброса воды. На турбину оказывает воздействие столб воды, высотой 5 м и диаметром 375 мм.

2.2.1 Выброс воды в резервуар с водой

На рисунках 24-28 показано результаты моделирования свободновращающейся и застопоренной турбины с выбросом воды в резервуар с водой. Истекающая жидкость формирует коническую поверхность. Вода с большой скорость вытекает из турбины и взаимодействуя с неподвижной водой в резервуаре формирует тороидальный вихрь. Следует отметить, что для свободновращающейся турбины, скорость истечения выше, чем для стационарной, что подтверждает факт работы турбины в качестве насоса. Сводные результаты показаны в табл. 3.

                

                                                  а                                                 б

Рисунок 24 – Поле скоростей потока воды с осевом сечении:
а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина

а

б

 Рисунок 25 – Поле скоростей потока воды с осевом сечении:
а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина

а

б

 Рисунок 26 – Векторное поле потока воды в осевом сечении:

а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина  а

Рисунок 27 – Поле скоростей потока воды вблизи выхода из турбины(вид сверху):
а – свободновращающаяся турбина;

б

Рисунок 27 – Поле скоростей потока воды вблизи выхода из турбины(вид сверху):
а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина

б

а

Рисунок 28 – Векторное поле потока воды вблизи выхода из турбины (вид сверху):
 а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина

2.2.2 Выброс воды в атмосферу

В случае выброса воды в атмосферу качественно картина течения похожа на предыдущий вариант с выбросом в резервуар с водой, но количественно в виду существенно меньшего сопротивления истечению повышаются расходные характеристики. В случае выброса в атмосферу расход увеличивается на 7 % с 505 кг/с до 542 кг/с для свободновращающейся турбины и на 5,7% с 486 кг/с до 514 кг/с для застопоренной турбины. Больше информации в сводной таблице (табл. 3). На рисунках 32-36 показано результаты моделирования свободновращающейся и застопоренной турбины с выбросом воды в атмосферу.

а б

Рисунок 32 – Поле скоростей потока воды с осевом сечении:
а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина а

б

Рисунок 33 – Рисунок 32 – Поле скоростей потока воды в осевом сечении:
а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина а б

Рисунок 34 – Векторное поле потока воды в осевом сечении:

а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина

а б Рисунок 35 – Поле скоростей потока воды вблизи выхода из турбины(вид сверху):
а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина

а б

Рисунок 36 – Векторное поле вблизи выхода из турбины(вид сверху):
а – свободновращающаяся турбина; б – застопоренная турбина

Таблица 3 – Сводные результаты моделирования гидротурбины с выбросом в резервуар с водой

№	Опреде-ляемая величина	Выброс в резервуар с водой		Выброс в атмосферу
		Свободновра-щающаяся турбина	Застопоренная турбина	Свободновра-щающаяся турбина	Застопоренная турбина
	Частота вращения, об/мин	334	–	362	–
	Расход воды, кг/с	505	486	542	514
	Мощность при установившемся вращении, Вт	100	–	15	–