Принципы моделирования гидротурбин

Конструирование новых гидротурбин обычно осуществляют в два основных этапа. На первом этапе для наиболее характерных режимов работы проводят теоретические расчеты, определяют основные параметры и производят выбор типа турбины и конфигурации проточной части. На втором этапе по результатам экспериментальных лабораторных исследований моделей турбин выполняют уточнение конструкции и определение окончательных энергетических характеристик турбины во всем диапазоне режимов работы.

Для того, чтобы результаты модельных исследований можно было достоверно перенести на разрабатываемую натурную турбину, необходимо при моделировании соблюдать полное гидродинамическое подобие режимов работы модельной и натурной турбин, которое включает в себя геометрическое, кинематическое и динамическое подобия.

Требование геометрического подобия заключается в том, чтобы все элементы модельной и натурной турбин были геометрически подобны. Линейный коэффициент подобия обычно определяется через отношение диаметров рабочих колес натурной турбины и ее модели :

. (6.7)

Здесь и в дальнейшем индексы "н" и "м" указывают на принадлежность параметров к натурной и модельной турбинам соответственно.

Кинематическое подобие означает, что в геометрически подобных точках натурной и модельной турбин все составляющие скоростей потока жидкости v_z, v_r и v_u являются геометрически подобными. При этом все перемещения в модели и турбине протекают параллельно и в отрезки времени, кратные фиксированной величине. Условие кинематического подобия может быть записано в виде

. (6.8)

Режим работы модельной и натурной турбин с соблюдением данного условия называется изогональным.

Динамическое подобие означает пропорциональность действующих сил в геометрически подобных точках турбины и модели при изогональных режимах. Динамическое подобие выполняется, если числа Рейнольдса и Фруда для модельной и натурной турбин равны. Числа Рейнольдса (Re) и Фруда (Fr) связаны со скоростью потока v и диаметром рабочего колеса D соотношениями: Re = vD/ , Fr = v²/gD, где - коэффициент кинематической вязкости жидкости, g - ускорение свободного падения.

Если требования полного гидродинамического подобия выполняются, то КПД модельной и натурной турбин равны, а их параметры связаны между собой формулами подобия. На практике полного подобия достичь не удается. Поэтому на конечном этапе для уточнения параметров натурной турбины используют полуэмпирические поправочные формулы.

Поскольку параметры геометрически подобных турбин в изогональных режимах связаны между собой формулами подобия, то вся серия подобных турбин с помощью данных формул может быть охарактеризована набором параметров любой из этих турбин. Обычно турбины характеризуются приведенными параметрами, которые являются параметрами условной, так называемой приведенной турбины. Эта турбина геометрически подобна натурной турбине, имеет диаметр рабочего колеса 1 м и работает под напором 1 м.