Исследование пульсаций давления в модельной отсасывающей трубе гидротурбины

Внедрение: 2016 г.

Работа [1] ученых из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН посвящена экспериментальному исследованию поведения прецессирующего вихревого жгута в модельной отсасывающей трубе гидротурбины. В качестве модели рабочего колеса использовалась комбинация лопаточных завихрителей – стационарного и свободновращающегося. Подобная конструкция обеспечивала распределение скорости на входе в отсасывающую трубу, близкое к распределению в натурных гидротурбинах, работающих в неоптимальных режимах. В ходе экспериментального наблюдения с использованием высокоскоростной съёмки было обнаружено явление перезамыкания прецессирующего вихревого жгута с последующим формированием вихревого кольца. Синхронизация высокоскоростной съёмки с измерением давления пьезорезистивным датчиком посредством модуля АЦП E14‑440 позволила сопоставить мощные пульсации давления на стенке отсасывающей трубы, регистрируемые в исследуемом режиме, с приближающимся к ней вихревым кольцом.

Исследование пульсаций давления в модельной отсасывающей трубе гидротурбины, вызванных вихревыми кольцами, проводились на экспериментальном стенде в лаборатории экологических проблем теплоэнергетики института. Стенд представляет собой замкнутый гидродинамический контур с рабочим участком, моделирующим проточный тракт гидротурбины. Вместо рабочего колеса используется комбинация стационарного и свободновращающегося завихрителей, позволяющих получать распределение скорости на входе в отсасывающую трубу, близкое к натурным. В качестве модели отсасывающей трубы использовалась упрощенная геометрия без поворотного колена, которая позволяет анализировать эффекты, связанные с распределением скорости за рабочим колесом, исключая взаимодействия прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) с коленом (рисунок 1).

Расход в гидродинамическом контуре создавался центробежным насосом Ebara 3LMH 80‑160/18.5. Система обратной связи с использованием электромагнитного расходомера позволяла стабилизировать расход и поддерживать его при выбранных значениях. Для измерения абсолютного давления на стенке отсасывающей трубы в конусе был вмонтирован пьезорезистивный датчик давления. Моделирование кавитационных условий производилось с помощью вакуумного насоса, установленного в верхней части экспериментального стенда.

Рисунок 1. Схема рабочего участка и измерительной области.

Использование высокоскоростной камеры CMOS PCO 1200.hs с частотой съёмки 500 кадров в секунду позволило выявить интересные особенности поведения ПВЯ в исследуемом режиме. Более того, использование пьезорезистивного датчика давления Keller PA‑4LC, синхронизированного посредством АЦП E14‑440 с высокоскоростной камерой, позволило сопоставить отрывы участков кавитационных каверн в форме колец с резкими пульсациями давления на стенке отсасывающей трубы.

Количественные измерения аксиальной и тангенциальной скорости в конусе отсасывающей трубы были проведены с использованием лазерно-доплеровского анемометра ЛАД‑06, разработанного в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН.

Схема измерения профилей скорости представлена на рисунке 1. Измерительная система была установлена на полностью автоматизированном координатном устройстве.

На рисунке 2 представлена количественная информация, характеризующая структуру потока в исследуемом режиме.

Рисунок 2. Профили аксиальной (слева) и тангенциальной (справа) скорости в различных сечениях, обезразмеренные через среднерасходную скорость, Q = 0,028 м³/с.

На рисунке 3 представлена серия изображений процесса формирования вихревого кольца и его движения в потоке. Также на рисунке 3 представлена осциллограмма давления на стенке отсасывающей трубы. 

Рисунок 3. Высокоскоростная съёмка и осциллограмма, синхронизованные посредством АЦП E14‑440, Q = 0,041 м³/с.

В результате высокоскоростной визуализации были выявлены два основных сценария формирования вихревых колец. Когда перезамыкание происходит между частями спирали, ограничивающими примерно один виток вихря, формируется зацепленное вихревое кольцо, надетое на основной вихрь (рисунок 4, слева); в случае, когда внутри перезамыкания оказывается участок спирали меньше целого витка, происходит формирование изолированного вихревого кольца (рисунок 4, справа).

Причем именно изолированное вихревое кольцо генерирует значительные пульсации давления на стенке отсасывающей трубы, в свою очередь, зацепленное вихревое кольцо уносится вдоль оси камеры вниз по потоку, не оказывая заметного воздействия на стенки отсасывающей трубы. Предположительно, изолированные вихревые кольца могут вызывать случайные (апериодические) пульсации давления и в отсасывающей трубе с коленом.
 

Рисунок 4. Визуализация вихревых колец: связанное (слева); изолированное (справа).

В ходе экспериментального наблюдения с использованием высокоскоростной съёмки было обнаружено явление перезамыкания прецессирующего вихревого жгута с последующим формированием вихревого кольца. Синхронизация высокоскоростной съёмки с измерением давления пьезорезистивным датчиком посредством модуля АЦП E14‑440 позволила сопоставить мощные пульсации давления на стенке отсасывающей трубы, регистрируемые в исследуемом режиме, с приближающимся к ней вихревым кольцом. Явление отрыва вихревых колец может иметь место и в натурных гидротурбинах и представлять серьезную опасность для гидродинамической стабильности гидроагрегатов в определенных режимах работы.

Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ (проект № 16‑08‑01191 А).

Источник:
Скрипкин С.Г., Цой М.А., Шторк С.И., Куйбин П.А. Исследование пульсаций давления в модельной отсасывающей трубе гидротурбины, вызванных вихревыми кольцами // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. – 2016. – Том 11, № 4. – С. 25‑32.

Разработчик: Скрипкин С.Г., Цой М.А., Шторк С.И., Куйбин П.А.(Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН)