Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОВЫШАЮЩЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ

Лямасов А.К. 1
1 ФГБ ОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
В данной работе приведены результаты исследования, позволяющие на основе трехмерного гидродинамического моделирования получить некоторые рекомендации к проектированию повышающей гидродинамической передачи (ГДП), у которой частота вращения турбинного колеса выше частоты вращения насосного колеса. Такая передача может использоваться, например, на МГЭС или ВЭС с целью применения на них серийных быстроходных генераторов. С помощью физического препроцессора ANSYS CFX проведено моделирование, показывающее, что геометрия проточной части, полученная по методике проектирования понижающих ГДП, обладает рядом недостатков, проявляющихся в виде отрывов и вихреобразования. Предлагается алгоритм, позволяющий скорректировать указанные методики и в результате получить геометрию проточной части повышающей передачи, обладающей высокой эффективностью. Представленные данные по расчету в ANSYS CFX лопастных систем показывают их совместимость и доказывают принципиальную возможность создания такого устройства.
ВЭС
МГЭС
трехмерное гидродинамическое моделирование
повышение частоты вращения
гидродинамическая передача
1. Карцев Л.В. Гидродинамические передачи. Часть II. Теория и расчет гидродинамических трансформаторов : учебное пособие. - М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000. - 156 с.
2. Кочкарев А.Я. Гидродинамические передачи. - Л. : Машиностроение, 1972. – 336 c.
3. Лямасов А.К., Орахелашвили Б.М. Студенческий научный вестник // Сборник статей-докладов участников НТК. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - С. 386-390.
4. Лямасов А.К., Орахелашвили Б.М. Труды второй Всероссийской НПК «Энерго 2012». - М. : Изд-во МЭИ, 2012. - С. 377-380.
5. Dorsch G., Keeran K. CFD simulation provides a pump company with a virtual test facility // Advantage. Excellence in engineering simulation. - 2007. - Vol. 1. - № 2. - P. 16-17.

Введение

Для применения на МГЭС и ВЭС быстроходных серийных генераторов после приводного устройства необходима установка повышающей передачи [4]. В качестве такого устройства рассматривается гидравлический мультипликатор, обеспечивающий самоторможение выходного вала при сбросе нагрузки (защиту от разгона) и гашение вибраций.

Гидродинамическая передача (ГДП) – это гидравлическая машина, содержащая насосное (НК), турбинное (ТК) колеса и неподвижный реактор (РК). Реактор соединен с неподвижным корпусом и участвует в динамическом взаимодействии с потоком жидкости, изменяя его параметры, в результате чего частота вращения и момент на турбинном и насосном колесе различаются.

Анализ технической литературы показал, что существующие методики и рекомендации ограничены расчетами понижающей ГДП с передаточным отношением . Таким образом, перед автором были поставлены следующие задачи: проверка применимости существующих методик и рекомендаций к проектированию повышающей ГДП и, в случае получения неудовлетворительного результата, создание новых, приемлемых.

Для решения поставленных задач проводился трехмерный гидродинамический расчет течения в ГДП на базе Ansys Workbench, с привлечением расчетного комплекса CFX.

Анализ существующих методик

На основании исходных данных по существующим методикам и рекомендациям [1], [2] были получены параметры ГДП [3], представленные в табл. 1.

Таблица 1

Наименование параметра

Обозначение

Значение

Размерность

Мощность на входном валу

50

кВт

Частота вращения на входном валу

600

об/мин

Частота вращения на выходном валу

1500

об/мин

Передаточное отношение

2,5

 

Коэффициент трансформации

0,32

 

Расход в круге циркуляции

0,315

м3/с

Момент на НК

748

Н·м

Момент на ТК

-239

Н·м

Момент на РК

-509

Н·м

Расчет представленных параметров неразрывно связан с получением геометрии круга циркуляции и лопастных систем ГДП, эскиз которых согласно существующим рекомендациям представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Проточная часть ГДП по существующим методикам (слева); вихреобразование и отрыв в зоне ТК при трехмерном гидродинамическом моделировании (справа).

Результаты трехмерного гидродинамического расчета показали наличие значительного вихреобразования и отрывов потока, снижающих эффективность устройства.

Основные проблемы были связаны с течением в области ТК (рис. 1), которое согласно рекомендациям было принято радиально-осевого типа.

Поскольку выходная характеристика ГДП в большей степени зависит от параметров ТК, то обеспечение наилучшей работы ТК становится приоритетной задачей.

Трехмерный гидродинамический расчет. Рекомендации к проектированию повышающей ГДП

На основании опыта проектирования гидротурбин было разработано турбинное колесо осевого типа (рис. 2). Однако для интеграции такого колеса в круг циркуляции потребовалось значительно изменить значения втулочного отношения и шага лопастей. Для улучшения обтекания ТК необходимо размещать лопастную систему на наименьшем радиусе, который в данном случае ограничивается необходимым с прочностной точки зрения диаметром вала. Таким образом, на данном этапе проектируется турбинное колесо осевого типа с необходимыми энергетическими показателями, оценка которых осуществляется трехмерным гидродинамическим расчетом.

Рис. 2. Меридиональное сечение ТК (слева) и трехмерная модель решетки ТК (справа).

На основании геометрии турбинного колеса был построен круг циркуляции, который обеспечивает безотрывное обтекание. В результате расчета нескольких вариантов в Ansys окончательно был принят вариант, представленный на рис. 3. По сравнению с первоначальным вариантом увеличились ширина В и активный диаметр круга Da, и уменьшился минимальный диаметр D0 (рис. 1).

Рис. 3. Круг циркуляции (слева); распределение скоростей в круге циркуляции при заданном расходе (справа).


В полученный круг циркуляции вписываются лопастные системы насосного и реакторного колес. При этом расположение входных и выходных кромок учитывает распределение скорости в круге циркуляции (рис. 3).

Рис. 4. Распределение скоростей в турбинном, насосном и реакторном колесе соответственно.

Геометрия каждой решетки ГДП изменялась в результате проведенных расчетов с целью повышения эффективности. Анализ проводился по эпюрам распределения скоростей и давлений, представленных на рис. 4 и 5, а также по интегральным показателям лопастных систем на входе и выходе расчетных областей.

Рис. 5. Распределение давлений в турбинном, насосном и реакторном колесе соответственно.

Интегральные показатели приведены в табл. 2

Таблица 2

Лопастная система

ТК

НК

РК

Расход в круге циркуляции, м3/с

0,315

Полное давление на входе, кПа

234,5

101,3

242,4

Полное давление на выходе, кПа

99,1

242,4

231,7

Расходная составляющая абсолютной скорости на входе, м/с

6,50

6,40

4,20

Расходная составляющая абсолютной скорости на выходе, м/с

6,50

4,26

6,3

Циркуляция на входе, м2/с

4,52

0,11

14,04

Циркуляция на выходе, м2/с

0,12

14,09

4,78

Мощность на валу, кВт

36,57

47,54

 

Момент, Н·м

-232,8

756,6

-500,8

КПД, %

84,7

92,7

97,1

Как видно из табл. 2, полученные лопастные системы с достаточной степенью точности согласуются между собой в расчетной точке, чем доказывается принципиальная возможность создания повышающей ГДП.

Геометрические показатели лопастных решеток приведем в табл. 3

Таблица 3

Решетка ГДП

Количество лопастей

Угол на входе

Угол на выходе

втулка

периферия

втулка

периферия

Турбинное колесо

20

β1л = 37º

β1л = 52

β2л = 68

β2л = 82

Насосное колесо

21

β1л =53

β1л =57

β2л = 56

β2л = 60

Реакторное колесо

23

α1л =64

α1л =63

α2л =35

α2л =40

Проведенные расчеты характеризуются постоянной сходимостью, высокой точностью и хорошими показателями качества сетки, что, на основании имеющихся данных верификации для иных гидромашин [5], позволяет говорить о соответствии полученных результатов реальной картине течения с погрешностью не более 5%.

Выводы

Трехмерный гидродинамический расчет показал, что существующие методики проектирования не подходят для получения рабочих параметров и геометрии повышающей ГДП. В то же время применение метода трехмерного гидродинамического моделирования позволило выбрать оптимальную геометрию круга циркуляции и лопастной системы турбинного колеса, а также наметило пути изменения лопастных систем насосного и реакторного колес, обеспечивающих высокую эффективность передачи.

Рецензенты:

Волков Александр Викторович, доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Научный центр «Повышения износостойкости и надежности энергетического оборудования электрических станций» (НЦ «Износостойкость»), г. Москва.

Моргунов Геннадий Михайлович, доктор технических наук, профессор, преподаватель кафедры гидромеханики и гидравлических машин, НИУ «МЭИ», г. Москва.


Библиографическая ссылка

Лямасов А.К. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОВЫШАЮЩЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=9364 (дата обращения: 20.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074