Оптимизация микротурбины с помощью модификации геометрии проточной части
Сложность настройки микрогидротурбины заключается в необходимости ее оптимизации для эксплуатации при заданных условиях. Для расчета предполагаемых характеристик турбин основываются на энергетическом подходе, т.е. на анализе энергетических параметров турбины. В литературе недостаточно представлены сведения о влиянии вида поверхностей микрогидротурбины на её эффективность и в целом на гидродинамические параметры потока. Требуется разработка рекомендаций по организации оптимальных геометрических граничных условий и режимов работы микрогидротурбины с точки зрения устойчивости потока, минимальных потерь энергии в широком диапазоне регулирования нагрузки гидротурбинного аппарата
В нашей работе поиск гидродинамических параметров, определяющих режимы работы и эффективность работы микрогидротурбин, производился на основе специально созданного модельного стенда (рисунок). Использовался прототип микрогидротурбины пропеллерного типа, выбор которого был обусловлен имеющимися в литературе сведениями. После прохождения системы из двух завихрителей поток поступает в конус, который выполняет роль отсасывающей трубы, а далее выходит в открытую атмосферу. Геометрически сложные участки модельного стенда были изготовлены с применением технологии быстрого прототипирования (печать деталей на 3D-принтере). Диаметр входной части конуса составлял 100 мм, выходной части — 120 мм. Длина конуса равна 280 мм, а угол раствора конуса — 4°. В стенку конуса была герметично установлена прозрачная пленка для обеспечения возможности входа лазерного луча внутрь рабочего объема. Частота вращения завихрителя выставляется с погрешностью 0,5%. Подача воздуха осуществлялась посредством дутьевого вентилятора (воздуходувки). Расход воздуха регулировался через частотный преобразователь, управляющий воздуходувкой, помимо этого, расход вычислялся путем интегрирования профилей аксиальной компоненты скорости. Распределения скорости потока были измерены с использованием лазерного доплеровского анемометра “ЛАД-06И”.
На рисунке приведены среднеквадратичные отклонения компоненты скорости (пульсации скорости) для наиболее характерных режимов течения – от глубокой недогрузки микрогидротурбины до сильной перегрузки. В режимах недогрузки и перегрузки присутствуют пики (максимумы) на распределениях пульсаций скорости, обусловленные возникновением в потоке гидродинамической неустойчивости в форме прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ). Иными словами, максимумы пульсаций возникают вследствие того, что прецессирующий вихрь индуцирует неосесимметричное мгновенное поле течения. Эффект прецессии можно увидеть на распределении пульсаций тангенциальной скорости, вихрь генерирует ощутимые пульсации вблизи оси отсасывающей трубы. Режимы, в которых часть энергии потока идет на образование вихрей, не являются оптимальными, т.к. когерентные пульсации снижают КПД гидроагрегата. В оптимальном режиме отсутствуют резкие всплески пульсаций компонент скорости из-за отсутствия вихрей.
