ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОТУРБИН МИКРОГЭС, ФУНКЦИОНИРУЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМЕННОМ НАПОРЕ, ПУТЕМ СОЗДАНИЯ АПЕРИОДИЧЕСКОЙ ЛОПАСТНОЙ СИСТЕМЫ

摘要

Создание комбинированных (когенерационных) энергоустановок - актуальная задача энергообеспечения потребителей. Одно из перспективных направлений - разработка технических решений на базе низконапорных микроГЭС с водоводом в виде сифона с перепадом уровней бьефов (гидростатическим напором) ΔZ ≤ 20 м. Для возведения таких ГЭС используются особенности рельефа местности, естественные водоемы с перепадом высот и готовая промышленная инфраструктура. Одной из характерных проблем при функционировании комбинированных энергоустановок, созданных на основе гидротурбин, является их нестабильная работа при переменных напорах, приводящая к непостоянству выработки электрической энергии и значительным простоям гидроагрегатов. В данной работе рассмотрены возможные пути решения этой проблемы, связанные с использованием гидротурбин с апериодической лопастной системой, проектируемой не на одну расчетную точку, а на расчетную область подач Q и напоров Н гидротурбины, определяемых из условий совместной работы гидросистема - гидротурбина при различных ΔZ. Для проведения параметрических исследований была разработана расчетная модель гидравлической части когенерационной системы, включающая фрагмент сифонного водовода и гидротурбину. Выполнены исследования на сеточную вязкость и расчетно-экспериментальная верификация модели, установлены оптимальные настройки сеточного генератора и количество ячеек - 1300 тыс. элементов. Оптимальные настройки были получены из условия достижения осредненного значения рассчитанной и экспериментальной мощностей гидротурбины с погрешностью ±5%. Проведено численное моделирование нескольких вариантов гидротурбин с разными лопастными системами, спроектированными с учетом опыта разработки апериодических лопастных систем в области насосостроения. Рассмотрены факторы, влияющие на эффективность гидротурбины: шаг лопастной системы на входе в гидротурбину, на выходе из нее и по центру скелетных линий лопастей, а также порядок расположения лопастей при компоновке апериодической лопастной системы. Выполнен сравнительный анализ гидротурбин с классической и апериодической лопастными системами. Установлено, что проектирование лопастной системы гидротурбины на расчетные параметры позволяет повысить КПД микроГЭС на 5.5%, а также расширить область ее эффективной работы по подаче и напору на 21.2 и 7.3% соответственно. При этом отмечена низкая чувствительность основного целевого показателя (КПД микроГЭС) на выделенные при исследовании факторы. Исходя из этого дальнейшими путями развития данного направления должны стать создание параметрической расчетной модели гидротурбины с апериодической лопастной системой и проведение серии расчетов с использованием теории планирования эксперимента или стохастических методов многомерной оптимизации.