Анотація до роботи:

Кухтенков Ю.М. Прогнозування низькочастотних пульсацій тиску у радіально-осьових гідротурбінах та шляхи їх зменшення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.17 - гідравлічні машини та гідропневмоагрегати. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2007.

Дисертаційна робота спрямована на прогнозування пульсаційних характеристик гідротурбін на основі просторової математичної моделі руху вихрових джгутів у відсмоктуючій трубі і зниження рівня джгутових пульсацій за рахунок застосування різних конструктивних засобів.

В роботі вміщено аналіз існуючих методів розрахунку та дослідження пульсаційних характеристик радіально-осьових гідротурбін.

В дисертації дано опис математичної моделі для прогнозування низькочастотних пульсацій тиску від довільного числа фізичних вихрових джгутів у відсмоктуючій трубі та розглянуті питання її використання, подано методику чисельного розрахунку та побудови прогнозних пульсаційних характеристик, що дозволяє проводити порівняльну оцінку розроблюваних проточних частин радіально-осьових гідротурбін на стадії проектування.

Надано порівняння прогнозних пульсаційних характеристик для радіально-осьових гідротурбін на напір 115-310 метрів з модельними і натурними експериментальними даними, а також досліджені способи, які дозволяють зменшити джгутові пульсації тиску.

Дисертаційна робота спрямована на створення обґрунтованої методики чисельного прогнозування джгутових пульсацій тиску у відсмоктуючій трубі гідротурбіни на основі просторової математичної моделі, проведення комплексу експериментів по визначенню рівня пульсацій тиску і структури потоку, а також застосування засобів, що дозволяють зменшити джгутові пульсації у гідротурбіні. У процесі досліджень сформульовані такі висновки:

1. Розроблена методика розрахунку дозволяє отримати прогнозні пульсаційні характеристики у широкому діапазоні режимів роботи гідротурбіни з урахуванням границь переходу від одного вихоря до двох. Створені програмні засоби, що дозволяють прогнозувати низькочастотні пульсації тиску у відсмоктуючій трубі. Прогнозні рівні пульсацій тиску можуть бути використані в розрахунках на динамічну міцність елементів порожнини гідротурбіни і для уточнення зони її експлуатації.

2. Розроблена просторова математична модель для розрахунку амплітуд і частот джгутових пульсацій тиску у відсмоктуючих трубах радіально-осьових гідротурбін з урахуванням довільного числа вихрових джгутів, додаткового осесиметричного потоку через турбіну і з заданням функції напруженості вихрового шару труби у вигляді ряду Фур'є. Виконано чисельну реалізацію задачі. Це дозволило одержати прогнозні пульсаційні характеристики, що задовільно узгоджуються з експериментальними характеристиками.

3. Застосування осесиметричної задачі дає можливість розраховувати інтенсивність вихрових джгутів з урахуванням геометрії вихідної кромки лопаті через циркуляцію у втулкових перетинах робочого колеса. Проведене порівняння циркуляції, що була одержана на основі розрахунків, з циркуляцією, що була одержана із зондових випробувань, свідчить про задовільне їхнє узгодження.

4. Для розрахунку напруженості вихрового шару, що моделює стінку відсмоктуючої труби, шукається рішення інтегрального рівняння Фредгольма у вигляді ряду Фур'є. Обчислення напруженості вихрового шару зводилося до рішення перевизначеної СЛАР. Подвійна амплітуда низькочастотних пульсацій тиску визначалася за допомогою інтеграла Бернуллі.

5. Візуальні дослідження з фотографуванням вихрових джгутів і дослідження потоків у відсмоктуючій трубі за допомогою датчиків-зондів тиску дали можливість одержати експериментально апроксимаційні залежності змінення геометричних параметрів вихрових джгутів (ексцентриситета, діаметра та кута нахилення вихрової лінії) від режиму роботи гідротурбіни і більш точно прогнозувати джгутові пульсації тиску.

6. Порівняння розрахункових амплітуд пульсацій тиску з експеримен-тальними амплітудами у відсмоктуючій трубі свідчить про їх задовільне узгодження, що підтверджує точність розробленої методики. Максимальні значення амплітуд пульсацій тисків для турбін ВАТ «Турбоатом» у зоні експлуатаційних режимів становлять: для РО115 – 8-10%, для РО230 – 5-7%, для РО310 – 3-4% від напору. Середня різниця при визначенні амплітуд пульсацій тиску у цих гідротурбінах між розрахунком та експериментом становить 15-20%. Цей рівень пульсацій тиску свідчить про допустиму нестаціонарність потоку в досліджених турбінах, що необхідно для надійної їхньої роботи. Ці дані використовувалися ВАТ «Турбоатом» для вибору експлуатаційних режимів роботи і у розрахунках на міцність деталей і вузлів гідротурбін. Використовувана при дослідженнях пульсацій тиску вимірювальна апаратура і датчики тиску цілком задовольняють вимогам, що пред'являються до вимірювальної апаратури згідно вимогам МЕК. Сумарна похибка вимірювального тракту не перевищувала 4-6,5%.

7. Запропоновані практичні заходи, вживання яких дозволило значно зменшити пульсації тиску у відсмоктуючих трубах гідротурбін. Використання ПЕЛ при куті відкриття +5^o дозволило знизити пульсації тиску в 1,5-2 рази на режимах форсування потужності у турбінному режимі модельної ОРО гідромашини. Використання подовженого обтічника робочого колеса у модельній гідротурбіні РО230 дало можливість зменшити пульсації тиску на 2-3% від напору на нерозрахункових режимах. Впуск повітря під робочі колеса гідротурбін РО115, РО230 на нерозрахункових режимах призвів до значного зниження пульсацій тиску – в 2-4 рази.

8. Основні наукові положення і результати, що викладені у дисертаційній роботі, мають практичну значимість при дослідженні та розробці гідротурбін РО типу та впроваджені на підприємстві ВАТ „Турбоатом”, а також у навчальному процесі у курсах “Нестаціонарні явища у лопатевих гідромашинах”, „Гідравлічні нестаціонарності гідроагрегатів ГЕС та ГАЕС” та „Математичні моделі нестаціонарних явищ у гідротурбінах” (НТУ „ХПІ”).

Публікації автора:

1. Завьялов П.С., Кухтенков Ю.М., Подвойский Ю.А. Прогнозирование пульсаций давлений от нескольких вихревых жгутов за рабочим колесом РО гидротурбины // Вісник Національного технічного університету «ХПІ»:
зб. наук. праць. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2001. – Вип. 129. – Ч.1. – С. 95-104.

Здобувачем виконані чисельні дослідження низькочастотних пульсацій тиску у відсмоктуючій трубі і наведено їх порівняння з експериментальними даними у гідротурбінах РО230, РО310.

2. Завьялов П.С., Кухтенков Ю.М., Подвойский Ю.А. К вопросу математического моделирования НЧПД в о.т. жестколопастных гидротурбин // Вісник Національного технічного університету «ХПІ»: зб. наук. праць. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2002. – Т. 12, №9. – С. 83-88.

Здобувачем розроблена методика розрахунку низькочастотних пульсацій тиску від довільного числа вихрових джгутів за робочими колесами у РО гідротурбінах. Приведені результати чисельних розрахунків.

3. Завьялов П.С., Кухтенков Ю.М., Подвойский Ю.А, Гончар И.В. К методу расчета пульсационных характеристик вихревых жгутов за рабочим колесом гидротурбины // Проблемы машиностроения. – Харьков: ИПМаш НАНУ. – 2003. – Т. 6, №2. – С. 84-92.

Здобувачем одержані апроксимаційні залежності змінення геометричних параметрів вихрових джгутів від режимів роботи на основі проведених візуальних досліджень у гідротурбіні РО170.

4. Кухтенков Ю.М. Исследования жгутовых пульсаций давления в радиально-осевой гидротурбине РО115 // Вісник Національного технічного університету «ХПІ»: зб. наук. праць. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2007. – № 17. –
C. 41-44.

5. Завьялов П.С., Бондаренко А.В., Кухтенков Ю.М., Гришин А.М. Мероприятия по уменьшению низкочастотных пульсаций давления в радиально-осевых гидротурбинах и обратимых гидромашинах // Вісник Національного технічного університету «ХПІ» : зб. наук. праць. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2004. – №11. – С. 83-90.

Здобувачем розглянуті конструктивні заходи та впуск повітря для зменшення низькочастотних пульсацій тиску у РО гідротурбінах. Наведені результати експериментальних досліджень на модельних та натурних гідротурбінах, які підтверджують ефективність розробок.

6. Завьялов П.С., Кухтенков Ю.М., Краснопольская Л.И., Гончар И.В. Исследование связи между пульсациями давления и осевой силы в гидротурбине РО230 // Вісник Національного технічного університету «ХПІ»: зб. наук. праць. – Харків: НТУ «ХПІ». – 2005. – №6. – С. 169-172.

Здобувачем проведений аналіз результатів експериментального визначення пульсацій тиску у проточній частині і осьової сили на валу гідротурбіни РО230.

7. Патент Украины UA 8379.SU1353924.A1, FO3, B 3/12, 29.12.97, Бюл.6 / Рабочее колесо высоконапорной радиально-осевой гидромашины / Завьялов П.С., Бондаренко А.В., Гришин А.М., Кухтенков Ю.М., Чалый И.А. (Украина). – 4 с.: ил.

Здобувачем запропоновано використання поворотного елемента лопаті робочого колеса РО гідромашини; досліджена дієвість елемента за допомогою зондів при різних режимах роботи.

8. Патент України на корисну модель №5155 від 15.02.05, бюл.№2. Робоче колесо високонапірної радіально-осьової гідротурбіни / Потетенко О.В., Ковальов С.М., Завялов П.С., Кухтенков Ю.М. (Україна). – 4 с.: іл.

Здобувачем запропонована конструкція лопаті РО робочого колеса гідротурбіни.