Bulb turbinasi, ayniqsa past va ultra-past naporli gidroelektr qoʻllanmalarda ishlatiladigan quvursimon gidravlik turbina turidir. Ushbu tadqiqotda ishchi gʻildirakning gupchak nisbati (hub ratio), ishchi gʻildirak ichidagi markaziy gupchakning nisbiy kattaligini ifodalovchi hamda oqim oʻtish maydoni, sarf, gidravlik samaradorlik, bosim taqsimoti va bilvosita ishchi gʻildirakdagi konstruktiv yuklarga taʼsir qiluvchi oʻlchovsiz loyihalash parametri sifatida oʻrganilgan. Tadqiqotchilar ishchi gʻildirak parraklari mahalliy qalinlashtirilgandan keyin dastlabki 0,36 gupchak nisbati hanuz mos keladimi-yoʻqmi, shuni baholash maqsadida haqiqiy agregat geometriyasiga asoslangan toʻliq uch oʻlchamli sonli model yaratgan va 0,32; 0,34; 0,36 hamda 0,38 bo‘lgan toʻrtta gupchak nisbatini taqqoslagan.

Hisoblashlar minimal napor 8,4 m, nominal napor 11 m va maksimal napor 14,5 m uchun tanlangan optimal yoʻnaltiruvchi parrak–ishchi gʻildirak parragi muvofiqlashtirish sharoitlarida bajarilgan. Uchala ish sharoitining barchasida samaradorlik va quvvat gupchak nisbati 0,32 dan 0,34 gacha oshganda ortgan; gupchak nisbati 0,34 dan yuqoriga chiqqanda esa umuman olganda kamaygan. Manba tadqiqotida ushbu stansiya uchun eng yaxshi umumiy gidravlik koʻrsatkich 0,34 gupchak nisbatida olingan.

Kavitatsiya koʻrsatkichi ishchi gʻildirak parragi gupchakka yaqin span=0,1 kesimidagi bosim maydonlarini taqqoslash orqali baholangan. Gupchak nisbati 0,34 dan 0,38 gacha oshgani sari soʻrish yuzasining oʻrta qismidagi manfiy bosim kuchaygan va past bosim sohasi kengaygan. Minimal va nominal naporlarda 0,32 va 0,34 variantlari bir-biriga yaqin natijalar bergan boʻlsa, manba 0,34 variantini umumiy kavitatsiya xatti-harakati nuqtai nazaridan yaxshiroq deb baholagan. Maksimal napor sharoitida ham butun bosim taqsimoti birgalikda baholanganda 0,34 eng mos variant deb topilgan.

Gidravlik jihatdan tanlangan 0,34 gupchak nisbatining konstruktiv ishonchliligi alohida ravishda bir tomonlama suyuqlik–konstruksiya oʻzaro taʼsiri orqali oʻrganilgan. Normal ish sharoitlarida hisoblangan eng yuqori ishchi gʻildirak parragi kuchlanishi 109,1 MPa boʻlib, stansiyaning 110 MPa loyihaviy chegarasidan past, eng katta siljish esa 4,4264 mm boʻlib, 5 mm tirqish chegarasidan past qolgan. Qochish tezligi sharoitida maksimal kuchlanish 249,75 MPa, maksimal siljish 4,8408 mm boʻlib, manbada ko‘rsatilgan 275 MPa va 5 mm chegaralardan oshmagan.

Ushbu natijalarning qoʻllanish doirasi muhim. Tadqiqot bitta gidroelektr stansiyaning parraklari mahalliy ravishda qalinlashtirilgan muayyan bulb turbinasi uchun toʻrtta gupchak nisbatini taqqoslaydi. Shu sababli 0,34 qiymatini barcha bulb turbinalari uchun universal optimum deb talqin qilib boʻlmaydi. Bundan tashqari, kavitatsiya bahosi bevosita pufakcha hajmini oʻlchash yoki yangi fizik kavitatsiya tajribasiga emas, balki sonli bosim maydonlari va Thoma soniga bogʻliq sifat baholarini taqqoslashga asoslangan.

Tadqiqot hal qilishga intilgan muhandislik muammosi

Bulb turbinasida ishchi gʻildirak parraklari va markaziy gupchak bir xil oqim yoʻlining qismlaridir. Gupchakning nisbiy diametri oʻzgarganda ishchi gʻildirakdan oʻtayotgan suv foydalanishi mumkin boʻlgan kesim maydoni ham oʻzgaradi. Bu geometrik oʻzgarish faqat sarfga taʼsir qilmaydi; suv tezligi, parrakdagi bosim taqsimoti, past bosim sohalari, gidravlik samaradorlik va ishchi gʻildirak parraklariga uzatiladigan yuklarni ham oʻzgartirishi mumkin.

Manba tadqiqoti ko‘rib chiqqan stansiyada ishchi gʻildirak parraklari avval mahalliy ravishda qalinlashtirilgan. Parrak geometriyasidagi bu oʻzgarish toʻliq oqim yoʻlini ham oʻzgartirgani sababli dastlabki 0,36 gupchak nisbatini qayta baholash zarur boʻlgan. Shu sababli tadqiqotning asosiy savolini “parrak qalinlashtirilgandan keyin mavjud agregat uchun qaysi gupchak nisbati energiya, kavitatsiya va konstruktiv ishonchlilik nuqtai nazaridan eng mos muvozanatni taʼminlaydi?” deb umumlashtirish mumkin.

Tadqiqotchilar bu savolni bitta ishlash koʻrsatkichi bilan hal qilmagan. Avval toʻrtta gupchak nisbatining samaradorlik va quvvat xatti-harakati taqqoslangan, soʻng ayni variantlarning parrak bosim taqsimotiga taʼsiri oʻrganilgan va yakunda gidravlik jihatdan tanlangan 0,34 variantidagi ishchi gʻildirak mustahkamligi tekshirilgan.

Bulb Turbinalarida Gupchak Nisbati Nima va Nima Uchun Muhim?

Gupchak nisbati ishchi gʻildirak markazidagi gupchakning ishchi gʻildirak geometriyasi ichidagi nisbiy kattaligini ifodalovchi oʻlchovsiz loyihalash parametridir; bu nisbat oʻzgarganda ishchi gʻildirak ichidagi foydalanish mumkin boʻlgan oqim kesimi va shunga mos ravishda suvning sarfi, tezligi hamda bosim taqsimoti oʻzgarishi mumkinligi sababli turbina samaradorligi, quvvat ishlab chiqarish, kavitatsiyaga moyillik va ishchi gʻildirakdagi konstruktiv yuklar ham taʼsirlanishi mumkin.

Manba tadqiqotining kirish qismida tushuntirilganidek, gupchak nisbatini kamaytirish ishchi gʻildirak kamerasidagi oqim oʻtish maydonini kattalashtirishi va oqim oʻtkazish qobiliyatini oshirishi mumkin. Kattaroq oʻtish maydoni muayyan sharoitlarda tezlikning kamayishiga va kavitatsiya xatti-harakatining yaxshilanishiga yordam berishi mumkin. Biroq gupchak nisbatining haddan tashqari kamaytirilishi parrak geometriyasini ham qiyinlashtirishi, loyihadan tashqari sharoitlarda oqim tuzilishini buzishi va ishchi gʻildirak chiqishiga yaqin ikkilamchi qaytish oqimlarini kuchaytirishi mumkin. Shu sababli “kichikroq gupchak nisbati har doim yaxshiroq” degan bir yoʻnalishli bogʻlanish mavjud emas.

Tadqiqotda taqqoslangan toʻrtta gupchak nisbati

Bulb turbinasining toʻliq oqim yoʻli

Sonli model faqat ishchi gʻildirak parragidan iborat emas. Toʻliq oqim yoʻli kirish kamerasini, yoʻnaltiruvchi parraklarni, aylanuvchi ishchi gʻildirak zonasini va soʻrish quvurini birgalikda qamrab oladi. Shu tariqa gupchak nisbatidagi geometrik oʻzgarish turbinaning faqat mahalliy bir qismida emas, balki butun oqim yoʻli kontekstida baholangan.

Turbinaning asosiy loyihaviy qiymatlari

Oqim fizikasini boshqaruvchi tenglamalar

Sonli oqim yechimi massa, impuls va energiyaning saqlanishiga asoslangan. Bu tenglamalar CFD modelining matematik yadrosini tashkil etadi.

Tenglama (1): Massaning saqlanishi

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

Tenglama suyuqlik elementi ichida massa oʻz-oʻzidan paydo boʻlishi yoki yoʻqolishi mumkin emasligini ifodalaydi. \(\rho\) suv zichligi boʻlib, manbada 1000 kg/m³ deb olingan. \(t\) vaqtni; \(u\), \(v\) va \(w\) esa tezlik vektorining mos ravishda x, y va z yoʻnalishlaridagi tarkibiy qismlarini ifodalaydi.

Agar biror hududda zichlik yoki tezlik maydoni vaqt bilan oʻzgarsa, tenglama bu oʻzgarish hududga kiruvchi va undan chiquvchi massa oqimi bilan mos boʻlishini talab qiladi. Suvning zichligi taxminan oʻzgarmas boʻlsa-da, manba tenglamani umumiy uzluksizlik shaklida beradi.

Tenglama (2): Massaning saqlanishini vektor koʻrinishida ifodalash

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

Bu ifoda Tenglama (1) ning qisqaroq vektor yozuvidir. \(\mathbf{u}\) uch oʻlchamli tezlik vektoridir. \(\operatorname{div}\) operatori bir nuqtadagi oqimning atrofga sof ravishda tarqalish-tarqalmasligini matematik jihatdan ifodalaydi.

Tenglama (3)–(5): Impulsning saqlanishi

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

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

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

Bu uch tenglama mos ravishda x, y va z yoʻnalishlaridagi impuls oʻzgarishini taʼriflaydi. \(p\) bosimdir. \(\tau\) hadlari molekulyar qovushqoqlikdan kelib chiqadigan qovushqoq kuchlanish tarkibiy qismlaridir. \(F_x\), \(F_y\) va \(F_z\) hajmiy kuchlardir.

Manba tadqiqotida hajmiy kuchni hisoblashda faqat ogʻirlik kuchi hisobga olingan. Z oʻqi yuqoriga musbat deb belgilanganligi sababli:

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

deb olingan. Buning fizik maʼnosi shundaki, ogʻirlik kuchi suyuqlikka faqat vertikal pastga yoʻnalgan hajmiy kuch sifatida taʼsir qiladi.

Tenglama (6): Energiyaning saqlanishi

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

\(T\) haroratni, \(k\) suyuqlikning issiqlik oʻtkazuvchanligini, \(c_p\) solishtirma issiqlik sigʻimini va \(S_T\) ichki issiqlik manbai bilan boshqa issiqlik energiyasi hadlarini ifodalaydi. Chap tomon haroratning vaqtga bogʻliq oʻzgarishi va oqim bilan tashilishini; oʻng tomon esa issiqlik oʻtkazilishi va manba hadlarini oʻz ichiga oladi.

Turbulentlik modeli qanday tanlandi?

Tadqiqotchilar toʻgʻridan-toʻgʻri bitta turbulentlik modelini faraz qilmagan. Nominal ish sharoitida RNG k-ε, SST k-ε va standart k-ε modellarining natijalari agregatning kompleks xarakteristik egri chizigʻi bilan taqqoslangan.

Manba kompleks taqqoslashda xarakteristik egri chiziqqa nisbatan eng kichik bashorat xatosini RNG k-ε modeli berganini qayd etib, keyingi hisoblashlar uchun shu modelni tanlagan. RNG k-ε yondashuvi ayniqsa yuqori deformatsiya tezliklari, aylanma oqim, egri oqim chiziqlari va oqim ajralishi kabi murakkab oqim xususiyatlarini ifodalash uchun qoʻllangan.

Oqimning chegara shartlari

Frozen Rotor interfeysi aylanuvchi va qoʻzgʻalmas oqim zonalari orasidagi oqim maʼlumotini muayyan nisbiy rotor–stator holatida uzatib, hisoblashni amalga oshirish imkonini beradi. Ushbu tadqiqot vaqt boʻyicha har bir parrak oʻtishini yechadigan toʻliq nostatsionar rotor–stator tahlili oʻrniga shu interfeys yondashuvidan foydalangan.

Devor yaqinidagi ajratuvchanlik va y+

RNG k-ε modeli standart devor funksiyalari bilan birgalikda qoʻllangan. Birinchi devor yaqinidagi katakning oʻlchovsiz devor masofasi \(y^+\) uchun maqsadli oraliq 30–100; ishchi gʻildirak parraklari va yoʻnaltiruvchi parraklar kabi asosiy qismlarda aksariyat hududlar 40–80 oraligʻida qolgan.

Toʻrning oʻsish koeffitsiyenti 1,2 qilib tanlangan va birinchi katakning fizik balandligi mahalliy devor yaqinidagi oqim tezligiga koʻra moslashtirilgan. Bu maʼlumotlar CFD natijasi faqat geometrik modelni emas, balki devor yaqinidagi turbulentlikni yechish strategiyasini ham qamrab olishini koʻrsatadi.

Toʻr mustaqilligi nima uchun zarur edi?

CFD modelida toʻr juda dagʻal boʻlsa, hisoblangan tezlik, bosim va samaradorlik qiymatlari kataklar soniga haddan tashqari bogʻliq boʻlishi mumkin. Aksincha, keragidan ortiq nozik toʻr natijani mazmunli darajada oʻzgartirmasdan hisoblash xarajatini oshirishi mumkin. Shu sababli tadqiqotchilar nominal sharoitda turli toʻr oʻlchamlarini taqqoslab, gidravlik samaradorlikni toʻr mustaqilligi koʻrsatkichi sifatida ishlatgan.

Manba grafigiga koʻra, umumiy toʻr taxminan 5 million element darajasiga yetganda qoʻshimcha kataklar qoʻshishning turbina samaradorligiga taʼsiri juda kichik boʻlib qolgan. Shu sababli toʻliq oqim yoʻli uchun taxminan 5 million katak tanlangan.

Qismlar boʻyicha taxminiy toʻr sonlari quyidagicha:

Tenglama (8): Turbinaning gidravlik samaradorligi

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

Tenglama turbina validan olinadigan mexanik quvvatni suv tashiydigan gidravlik quvvatga nisbatlab, gidravlik samaradorlikni hisoblaydi. \(\eta\) foizdagi samaradorlik; \(M\) manba izohida N·m birligida berilgan val aylantiruvchi momentining kattaligi; \(\omega\) ishchi gʻildirakning burchak tezligi (rad/s), \(\rho\) suv zichligi (kg/m³), \(g\) erkin tushish tezlanishi (m/s²), \(Q\) sarf (m³/s) va \(H\) napor (m).

Suratdagi \(M\omega\) koʻpaytmasi mexanik quvvat oʻlchamiga ega. Maxrajdagi \(\rho gQH\) esa suvning napor va sarf orqali tashiydigan gidravlik quvvatini ifodalaydi. Shunday qilib, ikki quvvat nisbati oʻlchovsiz boʻladi va foizda ifodalanadi.

Manba terminologiyasi boʻyicha eslatma: Maqola \(M\) uchun inglizcha izohda “rotational torque power” iborasini qoʻllaydi, biroq birligi N·m deb berilgan. Tenglama qayta yozilmagan; bu yerda N·m birligi koʻrsatadigan fizik rol tushuntirilgan.

Uchta xarakterli ish nuqtasi

Nima Uchun 0,34 Gupchak Nisbati Ushbu Tadqiqotda Eng Yaxshi Umumiy Variant Boʻldi?

0,34 gupchak nisbati oʻrganilgan toʻrtta variant orasida uchta xarakterli ish sharoitida samaradorlik va quvvat uchun umumiy choʻqqi nuqtani hosil qilgani, 0,34 dan yuqori nisbatlarda soʻrish yuzasidagi past bosim sohalari umuman olganda yomonlashgani va keyinchalik bajarilgan konstruktiv tekshiruvda 0,34 nisbatli ishchi gʻildirakning kuchlanishlari hamda siljishlari stansiyaning loyihaviy chegaralari ichida qolgani uchun ushbu tadqiqot doirasida eng yaxshi umumiy variant sifatida tanlangan.

Gupchak nisbatining samaradorlikka taʼsiri

Minimal naporda gupchak nisbati 0,32 dan 0,34 gacha oshganda samaradorlik %90,75 dan %91,06 gacha koʻtarilgan; manba bu ortishni 0,31 foiz bandi deb xabar qilgan. 0,34 dan 0,38 gacha oʻtilganda samaradorlik jami 0,4 foiz bandiga kamaygan.

Nominal naporda 0,32 → 0,34 oʻzgarishi kichikroq yaxshilanish bergan va samaradorlik %91,75 dan %91,80 gacha koʻtarilgan. Bunga qarshi ravishda 0,34 → 0,38 oraligʻida samaradorlik %91,80 dan %90,33 gacha pasaygan; manba bu kamayishni 1,53 foiz bandi deb ifodalagan.

Maksimal naporda 0,34 varianti %92,60 bilan yana eng yuqori qiymatni bergan. 0,32 dan 0,34 ga oʻtishda manba 0,43 foiz bandi ortish, 0,34 dan 0,38 ga oʻtishda esa jami 0,26 foiz bandi kamayish qayd etgan.

Gupchak nisbatining quvvatga taʼsiri

Quvvat natijalari ham 0,34 da choʻqqiga chiqadi; biroq oʻzgarish kattaligi ish sharoitiga qarab farq qiladi. Minimal naporda 0,32 → 0,34 oʻtishi 0,042 MW ortish, nominal naporda 0,063 MW ortish va maksimal naporda 0,032 MW ortish hosil qilgan.

Ayniqsa maksimal naporda gupchak nisbatining quvvatga tartibga soluvchi taʼsiri cheklangan. Manba bu sharoitda gupchak nisbatlari orasidagi quvvat farqlari kichik qolganini taʼkidlaydi.

Energiya koʻrsatkichidagi bogʻlanish nima uchun chiziqli emas?

Gupchak nisbati kattalashgani sari ishchi gʻildirak gupchagi oqim yoʻlida koʻproq maydon egallaydi. Bu oʻzgarish maʼlum nuqtagacha parrak–gupchak va oqim yoʻli mosligini yaxshilashi mumkin; biroq nisbat haddan tashqari kattalashganda oqim kesimi torayadi va birlik sarf kamayadi. Shu sababli samaradorlik bilan gupchak nisbati orasida doimiy ortuvchi yoki doimiy kamayuvchi sodda bogʻlanish oʻrniga manba natijalarida bitta choʻqqili, chiziqli boʻlmagan xatti-harakat kuzatiladi.

Kavitatsiya nima va bu yerda qanday oʻrganilgan?

Kavitatsiya — suyuqlikning mahalliy bosimi yetarlicha pasayganda bugʻlanish moyilligi paydo boʻlishi va oqim ichida bugʻ boʻshliqlari hosil boʻlishi mumkinligi bilan bogʻliq gidrodinamik muammo. Turbina parraklarida haddan tashqari past bosim sohalari kavitatsiya nuqtai nazaridan nomaqbul ish sharoitlarini koʻrsatishi mumkin.

Ushbu maqola kavitatsiya xatti-harakatini bevosita pufakchalarni tasvirlash yoki yangi fizik tajriba orqali oʻlchamagan. Tadqiqotchilar ishchi gʻildirak parragining span=0,1 kesimidagi bosim taqsimotlarini bir xil tasvirlash masshtabida taqqoslab, past/manfiy bosim sohalarining joyi, kattaligi va intensivligidan foydalangan.

Span=0,1 kesimini tanlash sababi gupchak nisbatidagi oʻzgarish eng bevosita tarzda ishchi gʻildirak gupchagi bilan parrak tutashadigan hududga taʼsir qilishidir.

Minimal napor sharoitidagi kavitatsiya natijasi

Minimal naporda kiruvchi oqim parrakning yumaloqlangan kirish qirrasiga uriladi va bosim yuzasida yuqori bosim sohasi hosil boʻladi. Soʻrish yuzasining oʻrta qismida esa barqaror past bosim sohasi yuzaga keladi.

0,32 va 0,34 variantlarining soʻrish yuzasi oʻrta qismidagi manfiy bosim xatti-harakati bir-biriga yaqin. Biroq gupchak nisbati 0,34 dan 0,38 gacha oshgani sari oʻrta soʻrish yuzasidagi manfiy bosim kuchaygan va past bosim sohasi maydoni kengaygan. Manba bu tendensiyani kavitatsiya koʻrsatkichining yomonlashishi sifatida talqin qiladi.

Nominal napordagi kavitatsiya natijasi

Nominal sharoitdagi oqim tuzilishi minimal napor sharoitiga oʻxshaydi. Sxema 1 va Sxema 2 ning umumiy bosim taqsimotlari bir-biriga yaqin; sezilarli farqlardan biri parrakning chiqish qirrasi atrofidadir.

0,34 dan 0,38 ga oʻtilgani sari soʻrish yuzasidagi past bosim sohasi yana kengayib, manfiy bosim kuchayadi. Manba 0,32 va 0,34 variantlarini bu sharoitda kavitatsiya nuqtai nazaridan asosan bir-biriga yaqin deb qabul qiladi; biroq barcha bosim taqsimotini birgalikda baholaganda 0,34 variantiga yaxshiroq umumiy kavitatsiya xususiyatini beradi.

Maksimal napordagi kavitatsiya xatti-harakati

Maksimal naporda yoʻnaltiruvchi parrak va ishchi gʻildirak parragi burchaklari kichikroq. Oqim yoʻnaltiruvchi parraklardan keyin ishchi gʻildirakka kirarkan, bosim yuzasining kirish qirrasidan oʻrta qismigacha tutash yuqori bosim sohasi hosil qiladi. Soʻrish tomonining kirish qirrasida esa mahalliy juda past bosim sohasi paydo boʻladi.

Gupchak nisbati 0,32 dan 0,38 gacha oshganda soʻrish yuzasi kirish qirrasidagi manfiy bosim sohasi biroz kichraysa-da, soʻrish yuzasining oʻrta qismidagi past bosim sohasi aniq kengayib, manfiy bosim kuchayadi. Shu sababli manba bitta mahalliy hududga qarash oʻrniga butun parrak bosim maydonini birgalikda baholagan.

Sxema 3 va Sxema 4 da oʻrta soʻrish yuzasidagi manfiy bosim Sxema 2 ga qaraganda kuchliroq va kengroq. Sxema 1 ning oʻrta qismdagi xatti-harakati Sxema 2 ga yaqin boʻlsa-da, kirish qirrasidagi manfiy bosim amplitudasi Sxema 1 da yuqoriroq. Manba ushbu yaxlit taqqoslash natijasida maksimal naporda ham Sxema 2 ni eng yaxshi umumiy kavitatsiya varianti deb baholagan.

Thoma soni qanday qoʻllangan?

Manba Thoma sonini gidravlik turbinalarning kavitatsiya xususiyatlarini baholashda ishlatiladigan asosiy xarakteristik sonlardan biri sifatida taʼriflaydi va uni parrak yuzasidagi bosim maydoni bilan bogʻlaydi.

Minimal va nominal naporlarda Sxema 1 bilan Sxema 2 ning parrak oʻrta qismidagi bosim egri chiziqlari bir-biriga yaqin boʻlsa, Sxema 3 va Sxema 4 kuchliroq manfiy bosim koʻrsatadi. Manbaning sifat jihatidagi Thoma bahosi Sxema 1 va Sxema 2 bu ikki sharoitda Sxema 3 va Sxema 4 ga qaraganda yaxshiroq kavitatsiya koʻrsatkichiga ega ekanini bildiradi.

Talqin chegarasi: Maqola ushbu boʻlimda sonli Thoma qiymatlaridan iborat jadval bermaydi. Shu sababli Verianla hech qanday Thoma sonini yaratmagan yoki kontur grafiklaridan aniq qiymat chiqarmagan.

Bir Tomonlama Suyuqlik–Konstruksiya Oʻzaro Taʼsiri Ushbu Tadqiqotda Nimani Anglatadi?

Bir tomonlama suyuqlik–konstruksiya oʻzaro taʼsiri CFD hisoblashida olingan suv bosimi yuklarining ishchi gʻildirak konstruktiv modeliga uzatilishi, biroq konstruktiv deformatsiya keyinchalik oqim maydonini oʻzgartirish uchun CFD yechimiga qayta uzatilmasligini anglatadi; mualliflar oʻrganilgan agregatning ish sharoitlarida konstruktiv deformatsiyaning oqim maydoniga qayta taʼsirini eʼtiborga olmaslik mumkin deb hisoblagan.

Tenglama (7): Konstruktiv dinamika tenglamasi

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

\(M\) massa matritsasi, \(C\) soʻnish matritsasi, \(K\) qattiqlik matritsasi va \(Q_i\) tugun yuk matritsasi sifatida taʼriflangan. \(q_i\), \(\dot{q}_i\) va \(\ddot{q}_i\) mos ravishda tugun siljishi, tezligi va tezlanishini ifodalaydi.

Matematik jihatdan chap tomon konstruksiyaning inertsiya, soʻnish va elastik javobini; oʻng tomon esa konstruksiyaga qoʻllanadigan yuklarni ifodalaydi.

Manba notatsiyasi boʻyicha eslatma: Tenglama (7) ning oʻng tomonida \(F_i\) mavjud boʻlsa-da, maqoladagi undan keyingi belgilar izohida \(F_i\) alohida taʼriflanmagan. Shu sababli Verianla ushbu belgiga manbada mavjud boʻlmagan maxsus fizik maʼno bermagan.

Ishchi gʻildirak parragiga taʼsir qiluvchi yuklar

Manba ishchi gʻildirak parragining konstruktiv yuklanishini uchta asosiy kuch turi bilan koʻrsatadi:

Ishchi gʻildirak materiali va loyihaviy chegaralar

Ishchi gʻildirak 06Cr13Ni4Mo zanglamaydigan poʻlatdan tayyorlangan. Manbada berilgan asosiy material qiymatlari quyidagicha:

Stansiyaning loyihaviy talabiga koʻra normal ish sharoitlarida ishchi gʻildirak parragining maksimal kuchlanishi oqish chegarasining beshdan biridan, yaʼni 110 MPa dan oshmasligi kerak. Qochish tezligi sharoitida ruxsat etilgan chegara oqish chegarasining yarmi, yaʼni 275 MPa.

Ishchi gʻildirak parragi cheti bilan ishchi gʻildirak kamerasining tashqi devori orasidagi loyihaviy tirqish 5 mm. Tadqiqotda parrakning umumiy deformatsiyasi barcha sharoitlarda 5 mm dan kichik qolishi loyihaviy shart sifatida qoʻllangan.

Tadqiqot Usuli va Natijalari

Sonli tadqiqot ish oqimi

1. Haqiqiy stansiya loyiha chizmalaridan kirish kamerasi, yoʻnaltiruvchi parraklar, ishchi gʻildirak va soʻrish quvurini qamrab oluvchi toʻliq uch oʻlchamli oqim modeli yaratildi.
2. Nominal sharoitda turli turbulentlik modellari agregatning kompleks xarakteristik egri chizigʻi bilan taqqoslandi.
3. RNG k-ε modeli tanlandi.
4. Toʻr mustaqilligi tahlili bajarildi va taxminan 5 million elementli toʻr qoʻllandi.
5. Minimal, nominal va maksimal napor uchun optimal yoʻnaltiruvchi parrak–ishchi gʻildirak parragi muvofiqlashtirish sharoitlari belgilandi.
6. 0,32; 0,34; 0,36 va 0,38 gupchak nisbatlari uchun toʻliq oqim yoʻli CFD hisoblari bajarildi.
7. Samaradorlik va quvvat taqqoslandi.
8. Span=0,1 parrak kesimidagi bosim maydonlari orqali kavitatsiya xatti-harakati sifat jihatdan taqqoslandi.
9. Gidravlik jihatdan optimal deb tanlangan 0,34 gupchak nisbati uchun oqim bosimlari bir tomonlama ravishda konstruktiv modelga uzatildi.
10. Uchta xarakterli napor va qochish tezligi sharoitida ishchi gʻildirak kuchlanishlari hamda siljishlari loyihaviy chegaralar bilan taqqoslandi.

Ishchi gʻildirak mustahkamligi natijalari

Uchta normal xarakterli ish sharoitida eng yuqori kuchlanish 109,1 MPa bilan maksimal naporda yuzaga kelgan. Bu qiymat 110 MPa loyihaviy chegaradan past boʻlsa-da, manba chegaraga yaqinligi sababli parrak sapfasi bilan parrak orasidagi radius/oʻtish hududini optimallashtirishni tavsiya qiladi.

Uchta normal sharoitda maksimal siljish doim chiqish qirrasiga yaqin parrak chetida kuzatilgan. Normal ishdagi eng katta siljish maksimal naporda 4,4264 mm boʻlib, 5 mm loyihaviy tirqish chegarasidan past qolgan.

Qochish tezligi sharoiti nima uchun alohida muhim?

Qochish tezligi agregat yukini yoʻqotishi kabi holatda ishchi gʻildirak normal aylanish tezligidan ancha yuqoriga chiqishi mumkin boʻlgan ekstremal ish holatini ifodalaydi. Manbada normal aylanish tezligi 136,4 r/min, qochish tezligi esa 279,5 r/min.

Aylanish tezligining oshishi markazdan qochma yukni kuchaytirgani uchun ishchi gʻildirakning konstruktiv xavfsizligi faqat normal sharoitlarda emas, ushbu ekstremal holatda ham tekshirilgan.

Qochish tezligi sharoitida maksimal kuchlanish 249,75 MPa boʻlib, kirish qirrasiga yaqin parrak chetida hosil boʻlgan. Bu qiymat manbada berilgan 275 MPa qochish tezligi loyihaviy chegarasidan past.

Maksimal siljish 4,8408 mm boʻlib, chiqish qirrasiga yaqin parrak chetida hosil boʻlgan va 5 mm tirqish chegarasidan oshmagan. Shu sababli manba hisoblangan holatda ishchi gʻildirak parragi bilan ishchi gʻildirak kamerasi orasida ishqalanish kutilmasligini bildiradi.

Mualliflarning loyihalash boʻyicha tavsiyalari

Hisoblangan qiymatlarning chegaralardan past qolishi barcha hududlarda katta xavfsizlik zaxirasi borligini anglatmaydi. Manba ayniqsa ikki hududga eʼtibor qaratgan.

• Maksimal naporda parrak–sapfa tutashuvidagi 109,1 MPa kuchlanish 110 MPa normal ish loyihaviy chegarasiga yaqin. Mualliflar ushbu tutashuvdagi radiusni optimallashtirib, kuchlanish taqsimotini yumshatishni tavsiya qiladi.
• Chiqish qirrasiga yaqin parrak siljishlari barcha sharoitlarda 5 mm chegaraga nisbatan yaqin. Mualliflar bu hududda mos mahalliy qalinlashtirish orqali qattiqlikni oshirish va ishqalanish xavfini kamaytirish mumkinligini taʼkidlaydi.

Tadqiqot bevosita qoʻllab-quvvatlaydigan xulosalar

• Oʻrganilgan stansiyada parraklar qalinlashtirilgandan keyingi toʻrtta gupchak nisbati orasida eng yaxshi umumiy gidravlik koʻrsatkich 0,34 nisbatida olingan.
• Uchta xarakterli napor sharoitida ham samaradorlik, ham quvvat 0,34 nisbatida eng yuqori hisoblangan qiymatga yetgan.
• Gupchak nisbatining 0,34 dan yuqoriga chiqishi ayniqsa soʻrish yuzasining oʻrta qismidagi manfiy bosim maydonini umuman olganda yomonlashtirgan.
• Minimal va nominal naporlarda 0,32 va 0,34 kavitatsiya xatti-harakatlari bir-biriga yaqin boʻlsa-da, butun bosim maydoni bahosida 0,34 afzal koʻrilgan.
• Maksimal naporda ham manba 0,34 nisbatini umumiy kavitatsiya xatti-harakati nuqtai nazaridan eng mos variant deb baholagan.
• 0,34 nisbatli ishchi gʻildirakning uchta normal sharoitdagi maksimal kuchlanish va siljishlari stansiyaning koʻrsatilgan loyihaviy chegaralaridan oshmagan.
• Qochish tezligi holatida hisoblangan 249,75 MPa kuchlanish va 4,8408 mm siljish ham manbada koʻrsatilgan chegaralardan past qolgan.
• Parrak–sapfa tutashuvi va chiqish qirrasiga yaqin parrak hududi loyihani takomillashtirish nuqtai nazaridan muhim hududlar sifatida ajralib chiqqan.

Tadqiqot qoʻllab-quvvatlamaydigan umumlashtirishlar

• 0,34 gupchak nisbati barcha bulb turbinalari uchun universal optimum emas.
• Tadqiqot toʻrtta variantdan tashqaridagi barcha mumkin boʻlgan gupchak nisbatlarini tekshirmagan.
• Tadqiqot yangi fizik model turbina tajribalari kampaniyasini taqdim etmaydi.
• Kavitatsiya natijalari bevosita bugʻ hajm ulushi yoki pufakcha zichligi oʻlchovi emas.
• Manba sonli Thoma qiymatlaridan iborat mustaqil jadval bermaydi.
• Bir tomonlama FSI ishchi gʻildirak deformatsiyasi oqim maydonini qayta oʻzgartiradigan ikki tomonlama oʻzaro taʼsirni yechmaydi.
• 109,1 MPa yoki 4,8408 mm qiymatlarini boshqa turbina geometriyalariga koʻchirish ilmiy jihatdan qoʻllab-quvvatlanmaydi.
• Parrak qalinlashtirilishi uzoq muddatli charchash umrini qanchalik oshirgani ushbu tadqiqotda aniqlanmagan.
• Kuchlanish va deformatsiya chegaralaridan past qolish charchash yoriqlari yoki barcha uzoq muddatli shikastlanish mexanizmlari oʻrganilganini anglatmaydi.

Metodologik kuchli jihatlar

Tadqiqotning kuchli jihatlaridan biri gupchak nisbati tanlovini faqat samaradorlikka asoslamasligidir. Energiya koʻrsatkichi, bosim/kavitatsiya xatti-harakati va konstruktiv xavfsizlik ketma-ket baholangan.

Ikkinchi kuchli jihat toʻliq oqim yoʻlining modellashtirilishi va toʻr mustaqilligi nazorati bajarilganidir. Kirish kamerasi, yoʻnaltiruvchi parraklar, ishchi gʻildirak va soʻrish quvuri bir xil sonli tizim ichida ifodalangan.

Uchinchi kuchli jihat tanlangan gidravlik loyihaning bevosita konstruktiv xavfsizlik tekshiruviga oʻtkazilganidir. Shu tariqa “eng yuqori samaradorlikni beradigan geometriya konstruktiv jihatdan ham maqbulmi?” degan savol alohida FSI bosqichi orqali baholangan.

Metodologik cheklovlar

Maqolada alohida va keng “Limitations” boʻlimi ochilmagan; biroq usul tuzilishi ayrim aniq qoʻllanish chegaralarini yuzaga keltiradi. Tadqiqot toʻrtta diskret gupchak nisbatini taqqoslaydi; shu sababli matematik jihatdan barcha mumkin boʻlgan nisbatlar boʻyicha uzluksiz optimallashtirish bajarilmagan.

Turbulentlik modelini tanlash mavjud agregatning kompleks xarakteristik egri chizigʻi bilan tekshirilgan; biroq maqola toʻrtta gupchak nisbatining barchasi uchun yangi fizik prototip tajribalarini xabar qilmaydi.

Kavitatsiya taqqoslanishi bosim maydoni va Thoma soniga oid sifat bahosiga asoslangan. Manbada kavitatsion bugʻ hajmi, pufakcha oʻlchami, kavitatsion eroziya yoki yangi tajribaviy tebranish maʼlumotlari xabar qilinmagan.

Suyuqlik–konstruksiya oʻzaro taʼsiri bir tomonlama. Mualliflar konstruktiv deformatsiyaning oqim maydoniga qayta taʼsirini eʼtiborga olmaslik mumkin deb hisoblagani uchun konstruktiv shakl oʻzgarishining CFD maydoniga qayta uzatilishi yechilmagan.

Manba qoʻllangan CFD dasturining marka/versiya maʼlumotini va konstruktiv yechimning batafsil konstruktiv toʻr oʻlchamini koʻrinadigan usul boʻlimlarida xabar qilmaydi. Shu sababli Verianla bu tafsilotlarni taxmin qilib toʻldirmagan.

Boshqa bulb turbinasiga qoʻllanganda nimani tekshirish kerak?

Ushbu usul boshqa agregatda qoʻllansa, oʻsha turbinaning haqiqiy ishchi gʻildirak diametri, gupchak geometriyasi, parrak shakli, parrak qalinligi, yoʻnaltiruvchi parrak tuzilishi, napor oraligʻi, sarfi, aylanish tezligi, soʻrish quvuri geometriyasi, materiali va loyihaviy kuchlanish/deformatsiya chegaralari qayta qoʻllanishi kerak. Ushbu tadqiqot 0,34 nisbatini umumiy loyihalash standarti sifatida emas, balki oʻrganilgan stansiyaning muayyan geometriyasi uchun optimal variant sifatida qoʻllab-quvvatlaydi.

Manba va Usul Haqida Izoh

Asl tadqiqot: Effects of Hub Ratio on the Energy and Cavitation Performance of a Bulb Turbine

Mualliflar va tartibi: Zhengpeng Wei; Yang Liu; Zhengwei Wang; Chi Lu.

Mualliflar affiliatsiyalari: Zhengpeng Wei — muassasa 1 va muassasa 2; Yang Liu — muassasa 1; Zhengwei Wang — muassasa 2; Chi Lu — muassasa 1.

Teng hissa: Manba maqolada teng birinchi muallif yoki teng hissa haqidagi bayonot mavjud emas.

Masʼul muallif: Zhengwei Wang.

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

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

Jurnal: Energies.

Nashriyot: MDPI.

Yil / jild / son / maqola raqami: 2026; 19(17); 4156.

DOI: 10.3390/en19174156.

Rasmiy havola: https://doi.org/10.3390/en19174156

Yuborilgan sana: 20-iyul 2026.

Tahrir sanasi: 20-avgust 2026.

Qabul sanasi: 1-sentabr 2026.

Nashr sanasi: 3-sentabr 2026.

Manba turi: Asl muhandislik tadqiqot maqolasi; toʻliq uch oʻlchamli hisoblash suyuqliklar dinamikasi, turbulentlik modeli taqqoslanishi, gidravlik koʻrsatkich/kavitatsiya bahosi va bir tomonlama suyuqlik–konstruksiya oʻzaro taʼsirini oʻz ichiga oladi.

Taqriz holati: Taqrizdan oʻtgan jurnalda nashr etilgan maqola.

Litsenziya: Creative Commons Attribution (CC BY) ochiq kirish litsenziyasi.

Gidravlik sonli usul: Massa, impuls va energiyaning saqlanish tenglamalari; RNG k-ε turbulentlik modeli; standart devor funksiyalari; Frozen Rotor rotor–stator interfeysi; maksimal qoldiq yaqinlashish mezoni 10⁻⁴.

Toʻr: Taxminan 5 million element. Kirish kamerasi taxminan 0,8 million, yoʻnaltiruvchi parraklar 1,5 million, ishchi gʻildirak kamerasi 2,0 million va soʻrish quvuri 0,7 million element.

Devor yaqinini modellashtirish: Birinchi katak uchun maqsadli \(y^+\) oraligʻi 30–100; asosiy oqim qismlarida aksariyat hududlar 40–80; toʻr oʻsish koeffitsiyenti 1,2.

Taqqoslangan gupchak nisbatlari: 0,32; 0,34; 0,36; 0,38.

Xarakterli naporlar: Minimal 8,4 m; nominal 11 m; maksimal 14,5 m.

Konstruktiv usul: Oqim maydonidagi bosimlar konstruktiv modelga uzatiladigan bir tomonlama suyuqlik–konstruksiya oʻzaro taʼsiri. Konstruktiv deformatsiya CFD maydoniga qayta uzatilmagan.

Ishchi gʻildirak materiali: 06Cr13Ni4Mo zanglamaydigan poʻlat; zichlik 7850 kg/m³; elastiklik moduli 210 GPa; Puasson koeffitsiyenti 0,3; oqish chegarasi 550 MPa.

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

Maʼlumotlarning mavjudligi: Tadqiqotning asl hissalari maqola ichida taqdim etilgan; qoʻshimcha soʻrovlar masʼul muallifga yoʻnaltirilishi mumkin.

Manfaatlar toʻqnashuvi: Zhengpeng Wei, Yang Liu va Chi Lu Huadian Electric Power Research Institute Co., Ltd. tarkibida ishlaydi. Boshqa mualliflar potensial tijoriy yoki moliyaviy manfaatlar toʻqnashuvini yuzaga keltirishi mumkin boʻlgan aloqa mavjud emasligini bildirgan.

Mualliflar hissasi: Konseptuallashtirish Zhengwei Wang; metodologiya Zhengpeng Wei va Yang Liu; dasturiy taʼminot Zhengpeng Wei; validatsiya Zhengpeng Wei va Zhengwei Wang; formal tahlil Zhengpeng Wei va Chi Lu; tadqiqot Zhengpeng Wei; resurslar Yang Liu; maʼlumotlar kuratsiyasi Chi Lu; dastlabki qoralamani tayyorlash Zhengpeng Wei; koʻrib chiqish va tahrirlash Chi Lu va Zhengpeng Wei; vizuallashtirish Zhengpeng Wei va Yang Liu; superviziya, loyiha boshqaruvi va moliyalashtirishni jalb qilish Zhengwei Wang tomonidan bajarilgan.

Manba ichidagi notatsiya eslatmasi 1: Tenglama (7) dagi \(F_i\) belgisi tenglamadan keyingi belgilar izohida alohida taʼriflanmagan. Ushbu belgiga manbadan tashqari maʼno qoʻshilmagan.

Manba ichidagi notatsiya eslatmasi 2: Tenglama (8) da \(M\) uchun manbada “rotational torque power” iborasi ishlatilgan, biroq birligi N·m deb berilgan. Verianla ushbu iborani yashirincha oʻzgartirmagan; tenglamaning fizik maʼnosida N·m birligining aylantiruvchi moment roli tushuntirilgan.

Kavitatsiya usulining chegarasi: Kavitatsiya taqqoslanishi span=0,1 kesimidagi sonli bosim maydonlari va Thoma soniga oid sifat bahosiga asoslangan. Manba sonli Thoma jadvali yoki bugʻ hajm ulushi maʼlumotlarini xabar qilmaydi.

Asosiy ilmiy talqin chegarasi: 0,34 gupchak nisbati faqat oʻrganilgan gidroelektr stansiyada parraklar qalinlashtirilgandan keyingi toʻrtta nomzod geometriya orasida optimal deb topilgan. Natija barcha bulb turbinalari uchun universal loyihaviy nisbat emas.