Гидротурбинаи капсулӣ як навъи турбинаи гидравликии қубурӣ мебошад, ки махсусан дар нерӯгоҳҳои барқи обии дорои напори паст ва хеле паст истифода мешавад. Дар ин таҳқиқот таносуби гупчак (hub ratio)-и чархи корӣ ҳамчун параметри беандозаи тарҳрезӣ баррасӣ шудааст, ки андозаи нисбии гупчаки марказиро дар дохили чархи корӣ ифода карда, ба масоҳати гузариши ҷараён, сарфи об, самаранокии гидравликӣ, тақсимоти фишор ва ба таври ғайримустақим ба борҳои сохтории ба чархи корӣ таъсиркунанда таъсир мерасонад. Муҳаққиқон барои арзёбии он ки пас аз ғафс кардани маҳаллии белчаҳои чархи корӣ таносуби аслии гупчак 0,36 ҳанӯз ҳам мувофиқ аст ё не, модели пурраи ададии сеченакаро дар асоси геометрияи воқеии агрегат сохта, чор таносуби гупчак — 0,32; 0,34; 0,36 ва 0,38-ро муқоиса карданд.

Ҳисобҳо барои напори ҳадди ақал 8,4 m, напори номиналӣ 11 m ва напори ҳадди аксар 14,5 m дар шароити интихобшудаи ҳамоҳангсозии оптималии белчаи самтдеҳ–белчаи чархи корӣ анҷом дода шуданд. Дар ҳамаи се шароити корӣ самаранокӣ ва қувва ҳангоми зиёд шудани таносуби гупчак аз 0,32 то 0,34 афзоиш ёфта, ҳангоми аз 0,34 боло рафтани таносуби гупчак умуман коҳиш ёфтанд. Дар таҳқиқоти манбаъ беҳтарин нишондиҳандаи умумии гидравликӣ барои ин нерӯгоҳ дар таносуби гупчак 0,34 ба даст оварда шудааст.

Нишондиҳандаи кавитатсия бо муқоисаи майдонҳои фишор дар буриши span=0,1-и белчаи чархи корӣ, ки ба гупчак наздик аст, арзёбӣ шудааст. Бо зиёд шудани таносуби гупчак аз 0,34 то 0,38 фишори манфӣ дар қисми миёнаи сатҳи ҷаббиш пурзӯр шуда, минтақаи фишори паст васеъ шудааст. Дар напорҳои ҳадди ақал ва номиналӣ вариантҳои 0,32 ва 0,34 натиҷаҳои ба ҳам наздик додаанд, аммо манбаъ варианти 0,34-ро аз ҷиҳати рафтори умумии кавитатсионӣ беҳтар арзёбӣ кардааст. Дар шароити напори ҳадди аксар низ ҳангоми арзёбии якҷояи тамоми тақсимоти фишор 0,34 ҳамчун варианти аз ҳама мувофиқ муайян шудааст.

Эътимоднокии сохтории таносуби гупчак 0,34, ки аз ҷиҳати гидравликӣ интихоб шудааст, инчунин бо таъсири мутақобилаи яксамтаи моеъ–сохтор таҳқиқ гардидааст. Дар шароити кори муқаррарӣ шиддати ҳадди аксари ҳисобшудаи белчаи чархи корӣ 109,1 MPa буда, аз ҳадди тарҳии нерӯгоҳ 110 MPa поён мондааст; ҷойивазкунии ҳадди аксар бошад 4,4264 mm буда, аз ҳадди фосила 5 mm камтар будааст. Дар шароити суръати аз ҳад зиёди гардиш шиддати ҳадди аксар 249,75 MPa ва ҷойивазкунии ҳадди аксар 4,8408 mm буда, аз ҳудудҳои дар манбаъ зикршудаи 275 MPa ва 5 mm зиёд нашудаанд.

Доираи ин натиҷаҳо муҳим аст. Таҳқиқот чор таносуби гупчакро барои як гидротурбинаи мушаххаси капсулии як нерӯгоҳи барқи обӣ, ки белчаҳояш маҳаллӣ ғафс карда шудаанд, муқоиса мекунад. Аз ин рӯ, қимати 0,34-ро ҳамчун оптимуми универсалӣ барои ҳамаи гидротурбинаҳои капсулӣ тафсир кардан мумкин нест. Илова бар ин, арзёбии кавитатсия на ба ченкунии мустақими ҳаҷми ҳубобчаҳо ё озмоиши нави физикии кавитатсия, балки ба муқоисаи майдонҳои ададии фишор ва арзёбиҳои сифатии вобаста ба адади Thoma асос ёфтааст.

Масъалаи муҳандисие, ки таҳқиқот барои ҳалли он кӯшиш мекунад

Дар гидротурбинаи капсулӣ белчаҳои чархи корӣ ва гупчаки марказӣ ҷузъҳои як роҳи ҷараён мебошанд. Вақте ки диаметри нисбии гупчак тағйир меёбад, масоҳати бурише, ки об ҳангоми гузаштан аз чархи корӣ истифода бурда метавонад, низ тағйир меёбад. Ин тағйироти геометрӣ танҳо ба сарфи об таъсир намекунад; он метавонад суръати об, тақсимоти фишор дар рӯи белча, минтақаҳои фишори паст, самаранокии гидравликӣ ва борҳои ба белчаҳои чархи корӣ интиқолёфтаро низ тағйир диҳад.

Дар нерӯгоҳе, ки таҳқиқоти манбаъ баррасӣ мекунад, белчаҳои чархи корӣ қаблан ба таври маҳаллӣ ғафс карда шудаанд. Азбаски ин тағйирот дар геометрияи белча роҳи пурраи ҷараёнро низ тағйир додааст, зарурати аз нав арзёбӣ кардани таносуби аслии гупчак 0,36 ба миён омадааст. Аз ин рӯ, саволи асосии таҳқиқотро метавон чунин ҷамъбаст кард: «пас аз ғафс кардани белча, кадом таносуби гупчак барои агрегати мавҷуда аз ҷиҳати энергия, кавитатсия ва эътимоднокии сохторӣ тавозуни мувофиқтаринро таъмин мекунад?»

Муҳаққиқон ин саволро танҳо бо як нишондиҳандаи фаъолият ҳал накардаанд. Аввал рафтори самаранокӣ ва қувва барои чор таносуби гупчак муқоиса карда шуд, сипас таъсири ҳамон вариантҳо ба тақсимоти фишори белча таҳқиқ гардид ва дар ниҳоят мустаҳкамии чархи кории варианти 0,34, ки аз ҷиҳати гидравликӣ интихоб шуда буд, санҷида шуд.

Таносуби Гупчак дар Гидротурбинаҳои Капсулӣ Чист ва Чаро Муҳим Аст?

Таносуби гупчак параметри беандозаи тарҳрезӣ мебошад, ки андозаи нисбии гупчаки маркази чархи кориро дар геометрияи чархи корӣ ифода мекунад; ҳангоми тағйир ёфтани ин таносуб, буриши дастраси ҷараён дар дохили чархи корӣ ва дар натиҷа сарфи об, суръат ва тақсимоти фишор метавонанд тағйир ёбанд, бинобар ин самаранокии турбина, истеҳсоли қувва, майли кавитатсия ва борҳои сохторӣ ба чархи корӣ низ метавонанд таъсир бинанд.

Тавре ки дар бахши муқаддимавии таҳқиқоти манбаъ шарҳ дода шудааст, кам кардани таносуби гупчак метавонад масоҳати гузариши ҷараёнро дар камераи чархи корӣ зиёд намуда, қобилияти гузаронидани ҷараёнро афзоиш диҳад. Масоҳати калонтари гузариш дар баъзе шароит метавонад ба кам шудани суръат ва беҳтар шудани рафтори кавитатсионӣ мусоидат кунад. Аммо аз ҳад зиёд кам кардани таносуби гупчак метавонад ба геометрияи белча фишор оварад, сохтори ҷараёнро дар шароити берун аз тарҳ вайрон кунад ва ҷараёнҳои баргашти дуюмдараҷаро дар наздикии баромади чархи корӣ зиёд намояд. Аз ин рӯ, муносибати яксамтаи «таносуби гупчак ҳар қадар хурд бошад, ҳамон қадар беҳтар аст» вуҷуд надорад.

Чор таносуби гупчак, ки дар таҳқиқот муқоиса шуданд

Роҳи пурраи ҷараёни гидротурбинаи капсулӣ

Модели ададӣ танҳо аз белчаи чархи корӣ иборат нест. Роҳи пурраи ҷараён камераи вуруд, белчаҳои самтдеҳ, минтақаи гардишкунандаи чархи корӣ ва қубури ҷаббандаро якҷоя дар бар мегирад. Ҳамин тавр, тағйироти геометрии таносуби гупчак на танҳо дар як қисми маҳаллии турбина, балки дар заминаи тамоми роҳи ҷараён арзёбӣ шудааст.

Қиматҳои асосии тарҳии турбина

Муодилаҳое, ки физикаи ҷараёнро идора мекунанд

Ҳалли ададии ҷараён ба қонунҳои бақои масса, импулс ва энергия асос ёфтааст. Ин муодилаҳо ядрои математикии модели CFD-ро ташкил медиҳанд.

Муодила (1): Бақои масса

\[ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \frac{\partial(\rho u)}{\partial x} + \frac{\partial(\rho v)}{\partial y} + \frac{\partial(\rho w)}{\partial z} =0 \tag{1} \]

Муодила ифода мекунад, ки масса дар дохили як элементи моеъ худ аз худ ба вуҷуд омада ё нобуд шуда наметавонад. \(\rho\) зичии об аст ва дар манбаъ 1000 kg/m³ қабул шудааст. \(t\) вақтро; \(u\), \(v\) ва \(w\) бошад мутаносибан ҷузъҳои вектори суръатро дар самтҳои x, y ва z ифода мекунанд.

Агар дар як минтақа майдони зичӣ ё суръат бо вақт тағйир ёбад, муодила талаб мекунад, ки ин тағйирот бо ҷараёни массаи воридшаванда ва хориҷшаванда аз минтақа мутобиқ бошад. Гарчанде ки зичии об тақрибан доимӣ аст, манбаъ муодиларо дар шакли умумии пайвастагӣ додааст.

Муодила (2): Намоиши вектории бақои масса

\[ \frac{\partial \rho}{\partial t} + \operatorname{div}(\rho\mathbf{u})=0 \tag{2} \]

Ин ифода шакли кӯтоҳтари вектории Муодила (1) мебошад. \(\mathbf{u}\) вектори сеченакаи суръат аст. Оператори \(\operatorname{div}\) ба таври математикӣ нишон медиҳад, ки ҷараён дар як нуқта ба атроф холис паҳн мешавад ё не.

Муодилаҳо (3)–(5): Бақои импулс

\[ \frac{\partial(\rho u)}{\partial t} +\operatorname{div}(\rho u\mathbf{u}) = -\frac{\partial p}{\partial x} +\frac{\partial\tau_{xx}}{\partial x} +\frac{\partial\tau_{yx}}{\partial y} +\frac{\partial\tau_{zx}}{\partial z} +F_x \tag{3} \]

\[ \frac{\partial(\rho v)}{\partial t} +\operatorname{div}(\rho v\mathbf{u}) = -\frac{\partial p}{\partial y} +\frac{\partial\tau_{xy}}{\partial x} +\frac{\partial\tau_{yy}}{\partial y} +\frac{\partial\tau_{zy}}{\partial z} +F_y \tag{4} \]

\[ \frac{\partial(\rho w)}{\partial t} +\operatorname{div}(\rho w\mathbf{u}) = -\frac{\partial p}{\partial z} +\frac{\partial\tau_{xz}}{\partial x} +\frac{\partial\tau_{yz}}{\partial y} +\frac{\partial\tau_{zz}}{\partial z} +F_z \tag{5} \]

Ин се муодила мутаносибан тағйироти импулсро дар самтҳои x, y ва z тавсиф мекунанд. \(p\) фишор аст. Узвҳои \(\tau\) ҷузъҳои шиддати часпакиро, ки аз часпакии молекулавӣ ба вуҷуд меоянд, ифода мекунанд. \(F_x\), \(F_y\) ва \(F_z\) қувваҳои ҳаҷмӣ мебошанд.

Дар таҳқиқоти манбаъ ҳангоми ҳисоб кардани қувваи ҳаҷмӣ танҳо қувваи ҷозиба ба назар гирифта шудааст. Азбаски меҳвари Z ба самти боло мусбат муайян шудааст:

\[ F_x=0,\qquad F_y=0,\qquad F_z=-\rho g \]

қабул шудааст. Маънои физикии ин он аст, ки қувваи ҷозиба ба моеъ қувваи ҳаҷмиро танҳо ба самти амудии поён татбиқ мекунад.

Муодила (6): Бақои энергия

\[ \frac{\partial(\rho T)}{\partial t} + \operatorname{div}(\rho\mathbf{u}T) = \operatorname{div} \left( \frac{k}{c_p}\operatorname{grad}T \right) + S_T \tag{6} \]

\(T\) ҳарорат, \(k\) гузаронандагии гармии моеъ, \(c_p\) иқтидори хоси гармӣ ва \(S_T\) манбаи дохилии гармӣ ва дигар узвҳои энергияи гармиро ифода мекунанд. Тарафи чап тағйироти вобаста ба вақти ҳарорат ва интиқоли онро бо ҷараён дар бар мегирад; тарафи рост бошад гузарондани гармӣ ва узвҳои манбаъро дар бар мегирад.

Модели турбулентӣ чӣ гуна интихоб шуд?

Муҳаққиқон аз аввал танҳо як модели турбулентиро фарз накардаанд. Дар шароити кори номиналӣ натиҷаҳои моделҳои RNG k-ε, SST k-ε ва стандартии k-ε бо каҷи ҳамаҷонибаи хоси агрегат муқоиса шудаанд.

Манбаъ нишон медиҳад, ки дар муқоисаи ҳамаҷониба модели RNG k-ε нисбат ба каҷи хос хатои пешгӯии камтаринро додааст ва аз ин рӯ ин модел барои ҳисобҳои минбаъда интихоб шудааст. Равиши RNG k-ε махсусан барои ифодаи хусусиятҳои мураккаби ҷараён, аз ҷумла суръатҳои баланди деформатсия, ҷараёни гардишӣ, хатҳои каҷи ҷараён ва ҷудошавии ҷараён истифода шудааст.

Шароити сарҳадии ҷараён

Интерфейси Frozen Rotor имкон медиҳад, ки ҳисоб бо интиқоли маълумоти ҷараён байни минтақаҳои гардишкунанда ва собити ҷараён дар як мавқеи муайяни нисбии ротор–статор анҷом дода шавад. Ин таҳқиқот ба ҷойи таҳлили пурраи гузарои ротор–статор, ки гузариши ҳар як белчаро дар вақт ҳал мекунад, аз ҳамин равиши интерфейс истифода кардааст.

Ҳалли наздики девор ва y+

Модели RNG k-ε якҷоя бо функсияҳои стандартии девор истифода шудааст. Барои масофаи беандозаи девории ҳуҷайраи аввалини назди девор \(y^+\) доираи ҳадаф 30–100 мебошад; дар ҷузъҳои асосӣ, аз ҷумла белчаҳои чархи корӣ ва белчаҳои самтдеҳ, аксари минтақаҳо дар доираи 40–80 боқӣ мондаанд.

Коэффициенти афзоиши шабака 1,2 интихоб шуда, баландии физикии ҳуҷайраи аввал мувофиқи суръати маҳаллии ҷараён дар назди девор танзим шудааст. Ин маълумот нишон медиҳад, ки натиҷаи CFD на танҳо модели геометрӣ, балки стратегияи ҳалли турбулентӣ дар наздикии деворро низ дар бар мегирад.

Чаро истиқлолияти шабака зарур буд?

Дар модели CFD, агар шабака хеле дағал бошад, қиматҳои ҳисобшудаи суръат, фишор ва самаранокӣ метавонанд аз шумораи ҳуҷайраҳо аз ҳад зиёд вобаста шаванд. Баръакс, шабакаи аз ҳад зиёд нозук метавонад хароҷоти ҳисобро бе тағйири назарраси натиҷа зиёд кунад. Аз ин рӯ, муҳаққиқон дар шароити номиналӣ андозаҳои гуногуни шабакаро муқоиса карда, самаранокии гидравликиро ҳамчун нишондиҳандаи истиқлолияти шабака истифода бурданд.

Тибқи графики манбаъ, вақте ки шабакаи умумӣ ба сатҳи тақрибан 5 миллион элемент расид, таъсири илова кардани ҳуҷайраҳои бештар ба самаранокии турбина хеле кам боқӣ монд. Аз ин рӯ, барои роҳи пурраи ҷараён тақрибан 5 миллион ҳуҷайра интихоб шудааст.

Шумораи тахминии шабака аз рӯи ҷузъҳо чунин аст:

Муодила (8): Самаранокии гидравликии турбина

\[ \eta= \frac{M\omega} {\rho gQH} \times100\% \tag{8} \]

Муодила самаранокии гидравликиро бо таносуб додани қувваи механикии аз меҳвари турбина гирифташуда ба қувваи гидравликии об ҳисоб мекунад. \(\eta\) самаранокӣ бо фоиз аст; \(M\) бузургии моменти гардиши меҳвар мебошад, ки дар шарҳи манбаъ бо воҳиди N·m дода шудааст; \(\omega\) суръати кунҷии чархи корӣ (rad/s), \(\rho\) зичии об (kg/m³), \(g\) шитоби ҷозиба (m/s²), \(Q\) сарфи об (m³/s) ва \(H\) напор (m) мебошад.

Ҳосили \(M\omega\) дар сурати каср андозаи қувваи механикӣ дорад. \(\rho gQH\) дар махраҷ бошад қувваи гидравликиеро ифода мекунад, ки об бо напор ва сарфи худ интиқол медиҳад. Ҳамин тавр, таносуби ду қувва беандоза шуда, бо фоиз ифода мешавад.

Ёддошти истилоҳии манбаъ: Мақола дар шарҳи англисӣ барои \(M\) ибораи “rotational torque power”-ро истифода мебарад, аммо воҳиди он N·m аст. Муодила аз нав навишта нашудааст; дар ин ҷо нақши физикие, ки воҳиди N·m нишон медиҳад, шарҳ дода шудааст.

Се нуқтаи хоси корӣ

Чаро Таносуби Гупчак 0,34 дар Ин Таҳқиқот Беҳтарин Интихоби Умумӣ Шуд?

Таносуби гупчак 0,34 дар доираи ин таҳқиқот ҳамчун беҳтарин интихоби умумӣ интихоб шуд, зеро дар байни чор варианти омӯхташуда он дар се шароити хоси корӣ барои самаранокӣ ва қувва нуқтаи авҷи муштаракро ташкил дод, дар таносубҳои аз 0,34 боло минтақаҳои фишори паст дар сатҳи ҷаббиш умуман бадтар шуданд ва дар санҷиши минбаъдаи сохторӣ шиддат ва ҷойивазкуниҳои чархи кории дорои таносуби 0,34 дар ҳудуди тарҳии нерӯгоҳ боқӣ монданд.

Таъсири таносуби гупчак ба самаранокӣ

Дар напори ҳадди ақал, ҳангоми аз 0,32 то 0,34 зиёд шудани таносуби гупчак, самаранокӣ аз %90,75 то %91,06 афзудааст; манбаъ ин афзоишро 0,31 банди фоизӣ гузориш додааст. Ҳангоми гузариш аз 0,34 то 0,38 самаранокӣ дар маҷмӯъ 0,4 банди фоизӣ коҳиш ёфтааст.

Дар напори номиналӣ тағйироти 0,32 → 0,34 беҳбудии камтаре дода, самаранокӣ аз %91,75 то %91,80 афзудааст. Баръакс, дар доираи 0,34 → 0,38 самаранокӣ аз %91,80 то %90,33 коҳиш ёфтааст; манбаъ ин коҳишро 1,53 банди фоизӣ ифода кардааст.

Дар напори ҳадди аксар варианти 0,34 бо %92,60 боз ҳам қимати баландтаринро додааст. Ҳангоми гузариш аз 0,32 то 0,34 манбаъ афзоиши 0,43 банди фоизӣ ва ҳангоми гузариш аз 0,34 то 0,38 коҳиши умумии 0,26 банди фоизиро гузориш додааст.

Таъсири таносуби гупчак ба қувва

Натиҷаҳои қувва низ дар 0,34 ба авҷ мерасанд; аммо бузургии тағйирот вобаста ба шароити корӣ фарқ мекунад. Дар напори ҳадди ақал гузариши 0,32 → 0,34 афзоиши 0,042 MW, дар напори номиналӣ афзоиши 0,063 MW ва дар напори ҳадди аксар афзоиши 0,032 MW ба вуҷуд овардааст.

Махсусан дар напори ҳадди аксар таъсири танзимкунандаи таносуби гупчак ба қувва маҳдуд аст. Манбаъ қайд мекунад, ки дар ин шароит фарқҳои қувва байни таносубҳои гупчак хурд боқӣ мондаанд.

Чаро муносибат дар нишондиҳандаи энергетикӣ хаттӣ нест?

Бо зиёд шудани таносуби гупчак, гупчаки чархи корӣ дар роҳи ҷараён масоҳати бештарро ишғол мекунад. Ин тағйирот то як нуқта метавонад мутобиқати белча–гупчак ва роҳи ҷараёнро беҳтар кунад; аммо вақте ки таносуб аз ҳад зиёд калон мешавад, буриши ҷараён танг шуда, сарфи воҳидӣ кам мешавад. Аз ин рӯ, ба ҷойи муносибати оддии пайваста афзоишёбанда ё пайваста коҳишёбанда байни самаранокӣ ва таносуби гупчак, дар натиҷаҳои манбаъ рафтори якавҷӣ ва ғайрихаттӣ дида мешавад.

Кавитатсия чист ва дар ин ҷо чӣ гуна омӯхта шудааст?

Кавитатсия масъалаи гидродинамикие мебошад, ки бо пайдо шудани майли бухоршавӣ ҳангоми ба қадри кофӣ паст шудани фишори маҳаллии моеъ ва имкони пайдо шудани холигиҳои буғӣ дар ҷараён алоқаманд аст. Минтақаҳои фишори аз ҳад паст дар белчаҳои турбина метавонанд шароити кори номатлубро аз ҷиҳати кавитатсия нишон диҳанд.

Ин мақола рафтори кавитатсияро бо тасвиркунии мустақими ҳубобчаҳо ё озмоиши нави физикӣ чен накардааст. Муҳаққиқон тақсимоти фишорро дар буриши span=0,1-и белчаи чархи корӣ бо як миқёси намоиш муқоиса карда, ҷойгиршавӣ, андоза ва шиддати минтақаҳои фишори паст/манфиро истифода бурданд.

Сабаби интихоби буриши span=0,1 дар он аст, ки тағйироти таносуби гупчак мустақимтар аз ҳама ба минтақаи пайвастшавии гупчаки чархи корӣ ва белча таъсир мерасонад.

Натиҷаи кавитатсия дар шароити напори ҳадди ақал

Дар напори ҳадди ақал ҷараёни воридшаванда ба канори мудаввари пешбари белча бархӯрда, дар сатҳи фишор минтақаи фишори баландро ба вуҷуд меорад. Дар қисми миёнаи сатҳи ҷаббиш бошад минтақаи устувори фишори паст пайдо мешавад.

Рафтори фишори манфии вариантҳои 0,32 ва 0,34 дар қисми миёнаи сатҳи ҷаббиш ба ҳам наздик аст. Баръакс, бо зиёд шудани таносуби гупчак аз 0,34 то 0,38 фишори манфӣ дар қисми миёнаи сатҳи ҷаббиш пурзӯр шуда, масоҳати минтақаи фишори паст васеъ шудааст. Манбаъ ин тамоюлро ҳамчун бад шудани нишондиҳандаи кавитатсия шарҳ медиҳад.

Натиҷаи кавитатсия дар напори номиналӣ

Тартиби ҷараён дар шароити номиналӣ ба шароити напори ҳадди ақал монанд аст. Тақсимоти умумии фишори Схема 1 ва Схема 2 ба ҳам наздик буда, яке аз фарқҳои намоён дар атрофи канори баромади белча ҷойгир аст.

Ҳангоми гузариш аз 0,34 то 0,38 минтақаи фишори паст дар сатҳи ҷаббиш боз ҳам васеъ шуда, фишори манфӣ шадидтар мегардад. Манбаъ вариантҳои 0,32 ва 0,34-ро дар ин шароит аз ҷиҳати кавитатсия асосан ба ҳам наздик мешуморад; аммо ҳангоми арзёбии якҷояи тамоми тақсимоти фишор ба варианти 0,34 хусусияти умумии беҳтари кавитатсиониро нисбат медиҳад.

Рафтори кавитатсия дар напори ҳадди аксар

Дар напори ҳадди аксар кунҷҳои белчаи самтдеҳ ва белчаи чархи корӣ хурдтаранд. Пас аз гузаштан аз белчаҳои самтдеҳ, ҷараён ҳангоми ворид шудан ба чархи корӣ аз канори пешбари сатҳи фишор то қисми миёна минтақаи пайвастаи фишори баландро ба вуҷуд меорад. Дар канори пешбари тарафи ҷаббиш бошад минтақаи маҳаллии фишори хеле паст пайдо мешавад.

Ҳангоми аз 0,32 то 0,38 зиёд шудани таносуби гупчак, гарчанде минтақаи фишори манфӣ дар канори пешбари сатҳи ҷаббиш каме хурд мешавад, минтақаи фишори паст дар қисми миёнаи сатҳи ҷаббиш ба таври назаррас васеъ шуда, фишори манфӣ пурзӯр мегардад. Аз ин рӯ, манбаъ ба ҷойи танҳо як минтақаи маҳаллӣ тамоми майдони фишори белчаро якҷоя арзёбӣ кардааст.

Дар Схема 3 ва Схема 4 фишори манфӣ дар қисми миёнаи сатҳи ҷаббиш нисбат ба Схема 2 пурқувваттар ва васеътар аст. Гарчанде рафтори қисми миёнаи Схема 1 ба Схема 2 наздик аст, амплитудаи фишори манфӣ дар канори пешбар дар Схема 1 баландтар мебошад. Манбаъ дар натиҷаи ин муқоисаи ҳамаҷониба Схема 2-ро дар напори ҳадди аксар низ ҳамчун беҳтарин варианти умумии кавитатсия арзёбӣ кардааст.

Адади Thoma чӣ гуна истифода шудааст?

Манбаъ адади Thoma-ро ҳамчун яке аз ададҳои асосии хос барои арзёбии хусусиятҳои кавитатсионии турбинаҳои гидравликӣ муайян карда, онро бо майдони фишори сатҳи белча алоқаманд мекунад.

Дар напорҳои ҳадди ақал ва номиналӣ каҷҳои фишори Схема 1 ва Схема 2 дар минтақаи миёнаи белча ба ҳам наздиканд, дар ҳоле ки Схема 3 ва Схема 4 фишори манфии пурқувваттар нишон медиҳанд. Арзёбии сифатии Thoma дар манбаъ нишон медиҳад, ки Схема 1 ва Схема 2 дар ин ду шароит нисбат ба Схема 3 ва Схема 4 нишондиҳандаи беҳтари кавитатсия доранд.

Ҳудуди тафсир: Мақола дар ин бахш ҷадвале аз қиматҳои ададии Thoma пешниҳод намекунад. Аз ин рӯ, Verianla ягон адади Thoma тавлид накардааст ва аз графикҳои контурӣ қимати дақиқ ҳосил накардааст.

Таъсири Мутақобилаи Яксамтаи Моеъ–Сохтор дар Ин Таҳқиқот Чӣ Маъно Дорад?

Таъсири мутақобилаи яксамтаи моеъ–сохтор маънои онро дорад, ки борҳои фишори об, ки дар ҳисоби CFD ба даст меоянд, ба модели сохтории чархи корӣ интиқол дода мешаванд, аммо деформатсияи сохторӣ баъдан барои тағйир додани майдони ҷараён ба ҳалли CFD бозпас дода намешавад; муаллифон дар шароити кори агрегати омӯхташуда таъсири бозгашти деформатсияи сохторӣ ба майдони ҷараёнро ночиз ҳисоб кардаанд.

Муодила (7): Муодилаи динамикии сохторӣ

\[ M\ddot{q}_i+C\dot{q}_i+Kq_i=Q_i+F_i \tag{7} \]

\(M\) ҳамчун матритсаи масса, \(C\) ҳамчун матритсаи демпфиронӣ, \(K\) ҳамчун матритсаи сахтӣ ва \(Q_i\) ҳамчун матритсаи бори гиреҳӣ муайян шудаанд. \(q_i\), \(\dot{q}_i\) ва \(\ddot{q}_i\) мутаносибан ҷойивазкунӣ, суръат ва шитоби гиреҳро ифода мекунанд.

Аз ҷиҳати математикӣ тарафи чап вокуниши инерсионӣ, демпфиронӣ ва чандирии сохторро; тарафи рост бошад борҳои ба сохтор татбиқшударо ифода мекунад.

Ёддошти аломатгузории манбаъ: Гарчанде дар тарафи рости Муодила (7) \(F_i\) мавҷуд аст, дар шарҳи рамзҳое, ки фавран баъди муодила дар мақола омадаанд, \(F_i\) алоҳида таъриф нашудааст. Аз ин рӯ, Verianla ба ин рамз маънои махсуси физикиеро, ки дар манбаъ вуҷуд надорад, нисбат надодааст.

Борҳое, ки ба белчаи чархи корӣ таъсир мекунанд

Манбаъ боркунии сохтории белчаи чархи кориро бо се навъи асосии қувва нишон медиҳад:

Маводи чархи корӣ ва ҳудудҳои тарҳрезӣ

Чархи корӣ аз пӯлоди зангногири 06Cr13Ni4Mo сохта шудааст. Қиматҳои асосии мавод, ки дар манбаъ дода шудаанд, чунинанд:

Мувофиқи талаботи тарҳии нерӯгоҳ, дар шароити кори муқаррарӣ шиддати ҳадди аксари белчаи чархи корӣ набояд аз панҷяки ҳадди ҷорӣшавӣ, яъне аз 110 MPa зиёд бошад. Дар шароити суръати аз ҳад зиёди гардиш ҳадди иҷозатдодашуда нисфи ҳадди ҷорӣшавӣ, яъне 275 MPa мебошад.

Фосилаи тарҳрезишуда байни канори белчаи чархи корӣ ва девори берунии камераи чархи корӣ 5 mm мебошад. Дар таҳқиқот ҳамчун шарти тарҳрезӣ истифода шудааст, ки деформатсияи умумии белча дар ҳамаи шароит аз 5 mm камтар боқӣ монад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Раванди таҳқиқоти ададӣ

1. Аз нақшаҳои тарҳии воқеии нерӯгоҳ модели пурраи сеченакаи ҷараён сохта шуд, ки камераи вуруд, белчаҳои самтдеҳ, чархи корӣ ва қубури ҷаббандаро дар бар мегирад.
2. Дар шароити номиналӣ моделҳои гуногуни турбулентӣ бо каҷи ҳамаҷонибаи хоси агрегат муқоиса шуданд.
3. Модели RNG k-ε интихоб шуд.
4. Таҳлили истиқлолияти шабака анҷом дода шуда, шабакаи тақрибан 5 миллион элемент истифода шуд.
5. Шароити оптималии ҳамоҳангсозии белчаи самтдеҳ–белчаи чархи корӣ барои напорҳои ҳадди ақал, номиналӣ ва ҳадди аксар муайян шуданд.
6. Ҳисобҳои CFD барои роҳи пурраи ҷараён бо таносубҳои гупчак 0,32; 0,34; 0,36 ва 0,38 анҷом дода шуданд.
7. Самаранокӣ ва қувва муқоиса шуданд.
8. Рафтори кавитатсия аз рӯи майдонҳои фишор дар буриши белчаи Span=0,1 ба таври сифатӣ муқоиса шуд.
9. Барои таносуби гупчак 0,34, ки аз ҷиҳати гидравликӣ оптималӣ интихоб шуд, фишорҳои ҷараён ба модели сохторӣ ба таври яксамта интиқол дода шуданд.
10. Шиддат ва ҷойивазкуниҳои чархи корӣ дар се напори хос ва шароити суръати аз ҳад зиёди гардиш бо ҳудудҳои тарҳрезӣ муқоиса шуданд.

Натиҷаҳои мустаҳкамии чархи корӣ

Дар се шароити хоси кори муқаррарӣ шиддати баландтарин 109,1 MPa дар напори ҳадди аксар ба вуҷуд омадааст. Гарчанде ин қимат аз ҳадди тарҳии 110 MPa поён аст, манбаъ бинобар наздик будани он ба ҳадд оптимизатсияи минтақаи радиус/гузариш байни меҳварчаи белча ва белчаро тавсия медиҳад.

Дар се шароити муқаррарӣ ҷойивазкунии ҳадди аксар пайваста дар канори белча дар наздикии канори баромад дида шудааст. Бузургтарин ҷойивазкунӣ дар кори муқаррарӣ дар напори ҳадди аксар 4,4264 mm мебошад ва аз фосилаи тарҳии 5 mm камтар мондааст.

Чаро шароити суръати аз ҳад зиёди гардиш алоҳида муҳим аст?

Суръати аз ҳад зиёди гардиш ҳолати фавқулодаи кориро ифода мекунад, ки дар вазъияте монанди аз даст додани бори агрегат суръати чархи корӣ метавонад аз суръати муқаррарии гардиш хеле зиёд шавад. Дар манбаъ суръати муқаррарии гардиш 136,4 r/min ва суръати аз ҳад зиёди гардиш 279,5 r/min мебошад.

Азбаски баланд шудани суръати гардиш бори марказгурезро зиёд мекунад, бехатарии сохтории чархи корӣ на танҳо дар шароити муқаррарӣ, балки дар ҳамин ҳолати фавқулода низ санҷида шудааст.

Дар шароити суръати аз ҳад зиёди гардиш шиддати ҳадди аксар 249,75 MPa дар канори белча дар наздикии канори пешбар ба вуҷуд омадааст. Ин қимат аз ҳадди тарҳии суръати аз ҳад зиёди гардиши 275 MPa, ки дар манбаъ дода шудааст, поён мебошад.

Ҷойивазкунии ҳадди аксар 4,8408 mm дар канори белча дар наздикии канори баромад ба вуҷуд омада, аз ҳадди фосилаи 5 mm зиёд нашудааст. Аз ин рӯ, манбаъ қайд мекунад, ки дар ҳолати ҳисобшуда соиш байни белчаи чархи корӣ ва камераи чархи корӣ интизор намеравад.

Тавсияҳои тарҳрезии муаллифон

Поён мондани қиматҳои ҳисобшуда аз ҳудудҳо маънои онро надорад, ки дар ҳамаи минтақаҳо захираи калони бехатарӣ мавҷуд аст. Манбаъ махсусан ба ду минтақа таваҷҷуҳ кардааст.

• Дар напори ҳадди аксар шиддати 109,1 MPa дар пайвасти белча–меҳварча ба ҳадди тарҳии кори муқаррарӣ 110 MPa наздик аст. Муаллифон тавсия медиҳанд, ки радиуси ин пайваст оптимизатсия шуда, тақсимоти шиддат ҳамвортар карда шавад.
• Ҷойивазкуниҳои белча дар наздикии канори баромад дар ҳамаи шароит нисбатан ба ҳадди 5 mm наздиканд. Муаллифон қайд мекунанд, ки дар ин минтақа бо ғафс кардани мувофиқи маҳаллӣ сахтӣ зиёд ва хатари соиш кам карда мешавад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот мустақиман дастгирӣ мекунад

• Пас аз ғафс кардани белчаҳо дар нерӯгоҳи омӯхташуда, дар байни чор таносуби гупчак беҳтарин нишондиҳандаи умумии гидравликӣ дар таносуби 0,34 ба даст оварда шудааст.
• Дар се шароити хоси напор ҳам самаранокӣ ва ҳам қувва дар таносуби 0,34 ба баландтарин қимати ҳисобшуда расидаанд.
• Баланд шудани таносуби гупчак аз 0,34 махсусан майдони фишори манфиро дар қисми миёнаи сатҳи ҷаббиш умуман бадтар кардааст.
• Дар напорҳои ҳадди ақал ва номиналӣ, гарчанде рафтори кавитатсионии 0,32 ва 0,34 ба ҳам наздик аст, дар арзёбии тамоми майдони фишор 0,34 бартарӣ дода шудааст.
• Дар напори ҳадди аксар низ манбаъ таносуби 0,34-ро аз ҷиҳати рафтори умумии кавитатсия ҳамчун варианти аз ҳама мувофиқ арзёбӣ кардааст.
• Шиддат ва ҷойивазкуниҳои ҳадди аксари чархи кории дорои таносуби 0,34 дар се шароити муқаррарӣ аз ҳудудҳои тарҳии зикршудаи нерӯгоҳ зиёд нашудаанд.
• Дар ҳолати суръати аз ҳад зиёди гардиш шиддати ҳисобшудаи 249,75 MPa ва ҷойивазкунии 4,8408 mm низ аз ҳудудҳои дар манбаъ зикршуда поён мондаанд.
• Пайвасти белча–меҳварча ва минтақаи белча дар наздикии канори баромад ҳамчун минтақаҳои муҳим барои такмили тарҳ баромад карданд.

Умумисозиҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад

• Таносуби гупчак 0,34 барои ҳамаи гидротурбинаҳои капсулӣ оптимуми универсалӣ нест.
• Таҳқиқот ҳамаи таносубҳои эҳтимолии гупчакро берун аз чор варианти баррасишуда тафтиш накардааст.
• Таҳқиқот маъракаи нави озмоишии физикии модели турбинаро пешниҳод намекунад.
• Натиҷаҳои кавитатсия ченкунии мустақими ҳиссаи ҳаҷмии буғ ё зичии ҳубобчаҳо нестанд.
• Манбаъ ҷадвали мустақили қиматҳои ададии Thoma-ро пешниҳод намекунад.
• FSI-и яксамта таъсири мутақобилаи дусамтаро, ки дар он деформатсияи чархи корӣ майдони ҷараёнро дубора тағйир медиҳад, ҳал намекунад.
• Интиқоли қиматҳои 109,1 MPa ё 4,8408 mm ба геометрияҳои дигари турбина аз ҷиҳати илмӣ дастгирӣ намешавад.
• Ин таҳқиқот муайян накардааст, ки ғафс кардани белча умри дарозмуддати хастагиро то чӣ андоза зиёд мекунад.
• Поён мондани шиддат ва деформатсия аз ҳудудҳо маънои онро надорад, ки тарқишҳои хастагӣ ё ҳамаи механизмҳои дарозмуддати осеб таҳқиқ шудаанд.

Ҷиҳатҳои қавии методологӣ

Яке аз ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот ин аст, ки интихоби таносуби гупчак танҳо ба самаранокӣ асос наёфтааст. Нишондиҳандаи энергетикӣ, рафтори фишор/кавитатсия ва бехатарии сохторӣ пайдарпай арзёбӣ шудаанд.

Ҷиҳати қавии дуюм моделсозии роҳи пурраи ҷараён ва анҷом додани санҷиши истиқлолияти шабака мебошад. Камераи вуруд, белчаҳои самтдеҳ, чархи корӣ ва қубури ҷаббанда дар як системаи ададӣ ифода шудаанд.

Ҷиҳати қавии сеюм он аст, ки тарҳи гидравликии интихобшуда мустақиман ба санҷиши бехатарии сохторӣ гузаронида шудааст. Ҳамин тавр, саволи «оё геометрияе, ки самаранокии баландтарин медиҳад, аз ҷиҳати сохторӣ низ қобили қабул аст?» дар марҳилаи алоҳидаи FSI арзёбӣ шудааст.

Маҳдудиятҳои методологӣ

Мақола бахши алоҳида ва ҳамаҷонибаи “Limitations”-ро боз намекунад; аммо сохтори усул баъзе ҳудудҳои равшани доираро ба вуҷуд меорад. Таҳқиқот чор таносуби ҷудогонаи гупчакро муқоиса мекунад; бинобар ин, оптимизатсияи пайваста дар тамоми таносубҳои эҳтимолӣ ба таври математикӣ анҷом дода нашудааст.

Интихоби модели турбулентӣ бо каҷи ҳамаҷонибаи хоси агрегати мавҷуда санҷида шудааст; аммо мақола барои ҳамаи чор таносуби гупчак озмоишҳои нави физикии прототипро гузориш намедиҳад.

Муқоисаи кавитатсия ба майдони фишор ва арзёбии сифатии марбут ба адади Thoma асос ёфтааст. Дар манбаъ ҳаҷми буғи кавитатсионӣ, андозаи ҳубобчаҳо, эрозияи кавитатсионӣ ё маълумоти нави таҷрибавии ларзиш гузориш нашудаанд.

Таъсири мутақобилаи моеъ–сохтор яксамта аст. Азбаски муаллифон таъсири бозгашти деформатсияи сохторӣ ба майдони ҷараёнро ночиз ҳисоб кардаанд, бозгардондани тағйирёбии шакли сохторӣ ба майдони CFD ҳал нашудааст.

Манбаъ дар бахшҳои намоёни усул бренд/версияи нармафзори истифодашудаи CFD ва андозаи муфассали шабакаи сохтории ҳалли сохториро гузориш намедиҳад. Аз ин рӯ, Verianla ин ҷузъиётро бо тахмин пур накардааст.

Ҳангоми татбиқ ба гидротурбинаи капсулии дигар чӣ бояд санҷида шавад?

Агар ин усул дар агрегати дигар татбиқ шавад, бояд диаметри воқеии чархи корӣ, геометрияи гупчак, шакли белча, ғафсии белча, тартиби белчаҳои самтдеҳ, доираи напор, сарфи об, суръати гардиш, геометрияи қубури ҷаббанда, мавод ва ҳудудҳои тарҳии шиддат/деформатсияи ҳамон турбина аз нав истифода шаванд. Ин таҳқиқот таносуби 0,34-ро на ҳамчун стандарти умумии тарҳрезӣ, балки ҳамчун варианти оптималӣ барои геометрияи мушаххаси нерӯгоҳи омӯхташуда дастгирӣ мекунад.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Таҳқиқоти аслӣ: Effects of Hub Ratio on the Energy and Cavitation Performance of a Bulb Turbine

Муаллифон ва тартиб: Zhengpeng Wei; Yang Liu; Zhengwei Wang; Chi Lu.

Мансубияти муаллифон: Zhengpeng Wei — муассисаи 1 ва муассисаи 2; Yang Liu — муассисаи 1; Zhengwei Wang — муассисаи 2; Chi Lu — муассисаи 1.

Саҳми баробар: Дар мақолаи манбаъ муаллифи якуми баробар ё изҳороти саҳми баробар вуҷуд надорад.

Муаллифи масъул: Zhengwei Wang.

Муассиса 1: Huadian Electric Power Research Institute Co., Ltd., Hangzhou 310030, China.

Муассиса 2: State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China.

Маҷалла: Energies.

Ношир: MDPI.

Сол / ҷилд / шумора / рақами мақола: 2026; 19(17); 4156.

DOI: 10.3390/en19174156.

Пайванди расмӣ: https://doi.org/10.3390/en19174156

Санаи ирсол: 20 июли 2026.

Санаи бознигарӣ: 20 августи 2026.

Санаи қабул: 1 сентябри 2026.

Санаи нашр: 3 сентябри 2026.

Навъи манбаъ: Мақолаи аслии таҳқиқотии муҳандисӣ; динамикаи ҳисоббарории сеченакаи моеъ, муқоисаи моделҳои турбулентӣ, арзёбии нишондиҳандаи гидравликӣ/кавитатсия ва таъсири мутақобилаи яксамтаи моеъ–сохторро дар бар мегирад.

Ҳолати баррасии ҳамтоён: Мақола дар маҷаллаи баррасишавандаи ҳамтоён нашр шудааст.

Иҷозатнома: Иҷозатномаи дастрасии кушоди Creative Commons Attribution (CC BY).

Усули ададии гидравликӣ: Муодилаҳои бақои масса, импулс ва энергия; модели турбулентии RNG k-ε; функсияҳои стандартии девор; интерфейси ротор–статори Frozen Rotor; меъёри конвергенсияи бақияи ҳадди аксар 10⁻⁴.

Шабака: Тақрибан 5 миллион элемент. Камераи вуруд тақрибан 0,8 миллион, белчаҳои самтдеҳ 1,5 миллион, камераи чархи корӣ 2,0 миллион ва қубури ҷаббанда 0,7 миллион элемент.

Моделсозии наздики девор: Доираи ҳадафи \(y^+\) барои ҳуҷайраи аввал 30–100; дар ҷузъҳои асосии ҷараён аксари минтақаҳо 40–80; коэффициенти афзоиши шабака 1,2.

Таносубҳои гупчаки муқоисашуда: 0,32; 0,34; 0,36; 0,38.

Напорҳои хос: Ҳадди ақал 8,4 m; номиналӣ 11 m; ҳадди аксар 14,5 m.

Усули сохторӣ: Таъсири мутақобилаи яксамтаи моеъ–сохтор, ки дар он фишорҳои майдони ҷараён ба модели сохторӣ интиқол дода мешаванд. Деформатсияи сохторӣ ба майдони CFD бозпас дода нашудааст.

Маводи чархи корӣ: Пӯлоди зангногири 06Cr13Ni4Mo; зичӣ 7850 kg/m³; модули чандирӣ 210 GPa; коэффициенти Пуассон 0,3; ҳадди ҷорӣшавӣ 550 MPa.

Маблағгузорӣ: “Smart Grid-National Science and Technology Major Project” (2024ZD0801800).

Дастрасии маълумот: Саҳмҳои аслии таҳқиқот дар дохили мақола пешниҳод шудаанд; дархостҳои иловагӣ метавонанд ба муаллифи масъул равона карда шаванд.

Ихтилофи манфиатҳо: Zhengpeng Wei, Yang Liu ва Chi Lu дар Huadian Electric Power Research Institute Co., Ltd. фаъолият мекунанд. Муаллифони дигар хабар додаанд, ки робитае надоранд, ки метавонад ихтилофи эҳтимолии тиҷоратӣ ё молиявии манфиатҳоро ба вуҷуд орад.

Саҳмҳои муаллифон: Консептуализатсия Zhengwei Wang; методология Zhengpeng Wei ва Yang Liu; нармафзор Zhengpeng Wei; санҷиш Zhengpeng Wei ва Zhengwei Wang; таҳлили расмӣ Zhengpeng Wei ва Chi Lu; таҳқиқот Zhengpeng Wei; захираҳо Yang Liu; куратсияи маълумот Chi Lu; омодасозии лоиҳаи аввал Zhengpeng Wei; бознигарӣ ва таҳрир Chi Lu ва Zhengpeng Wei; визуализатсия Zhengpeng Wei ва Yang Liu; назорат, идоракунии лоиҳа ва дарёфти маблағгузорӣ аз ҷониби Zhengwei Wang анҷом дода шудаанд.

Ёддошти дохилии манбаъ оид ба аломатгузорӣ 1: Рамзи \(F_i\), ки дар Муодила (7) мавҷуд аст, дар шарҳи рамзҳои пас аз муодила алоҳида таъриф нашудааст. Ба ин рамз маънои берун аз манбаъ илова нашудааст.

Ёддошти дохилии манбаъ оид ба аломатгузорӣ 2: Дар Муодила (8) барои \(M\) дар манбаъ ибораи “rotational torque power” истифода шудааст, аммо воҳиди он N·m дода шудааст. Verianla ин ибораро бесадо тағйир надодааст; дар маънои физикии муодила нақши моменти гардиш, ки воҳиди N·m нишон медиҳад, шарҳ дода шудааст.

Ҳудуди усули кавитатсия: Муқоисаи кавитатсия ба майдонҳои ададии фишор дар буриши span=0,1 ва арзёбии сифатии марбут ба адади Thoma асос ёфтааст. Манбаъ ҷадвали ададии Thoma ё маълумоти ҳиссаи ҳаҷмии буғро гузориш намедиҳад.

Ҳудуди асосии тафсири илмӣ: Таносуби гупчак 0,34 танҳо дар байни чор геометрияи номзад пас аз ғафс кардани белчаҳои нерӯгоҳи барқи обии омӯхташуда оптималӣ муайян шудааст. Натиҷа таносуби универсалии тарҳрезӣ барои ҳамаи гидротурбинаҳои капсулӣ нест.