Учёные выяснили, как возникают потенциально опасные режимы в гидро- и ветроэлектростанциях
Учёные из Сибирского федерального университета (СФУ) и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН выяснили, как возникают потенциально опасные режимы работы оборудования в гидроэлектростанциях и ветроэлектростанциях. Полученные во время исследований данные помогут повысить безопасность и эффективность работы турбинного оборудования в технологических устройствах, где используются закрученные потоки. Данные исследования опубликованы в журнале International Journal of Heat and Fluid Flow
Вихревые потоки — это характерная форма движения для текучей среды (одна из форм). Их структура и размеры разнообразны. Человечество научилось использовать энергию вихревых потоков для создания подъёмной тяги самолетов, разработки турбомашин и вентиляционных систем и для работы гидротурбинного оборудования на гидроэлектростанциях (ГЭС). Однако данная энергия может привести к разрушительным явлениям — к авариям на электростанциях или их масштабным поломкам. Группа исследователей провела комплексное расчётно-экспериментальное исследование турбулентного потока с различными режимами закрутки. Она использовала гидродинамическую установку и численное моделирование. Полученные экспериментально и теоретически результаты продемонстрировали, как происходит непериодическое перезамыкание вихревого ядра и образование вихревых колец, несущих потенциальную угрозу оборудованию, где используется энергия закрученных потоков.
Выяснилось, что такие «кольца», отрываясь, ударяются о стенки проточного тракта турбины, создают сильный шум и локальные перегрузки. Это вызывает ускоренный износ оборудования и провоцирует аварийные ситуации.
Дмитрий ПлатоновНаучный сотрудник Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ
«Наш научный коллектив занимается численным моделированием, в том числе применительно к гидротурбинному оборудованию. На протяжении длительного времени сотрудничаем с Саяно-Шушенской и Красноярской ГЭС. Одним из первых в мире нам удалось зафиксировать и воспроизвести, как происходит перезамыкание вихревого ядра в гидротурбине, и при помощи численного моделирования, и экспериментально. Визуально это выглядит, как образование некоего кольца, когда вихревой жгут «замыкается» сам на себя. Изучая физику и понимая природу закрученных потоков и, в частности, образования вихревых колец, мы можем успешно бороться с негативными последствиями, вызванными данными явлениями, в том числе меняя режим работы оборудования или используя специализированные подходы, будь-то подача воды или воздуха в проточный тракт гидротурбины или установка стабилизирующих конструкций».
По словам научного сотрудника Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Дмитрия Платонова, способы нейтрализации вихревых потоков сродни борьбе с морскими волнами. Для этого на берегу ставятся волнорезы, лишающие потоки воды разрушительной силы, а в гидротурбине с подачи сибирских учёных установлены специальные стабилизирующие конструкции, так называемые «ребра», гасящие интенсивность вихревого жгута. Данный способ помогает предотвращать образование вихревых колец и снижает негативное воздействие на все элементы конструкции турбины. Кроме того, можно использовать подачу в конкретные точки проточного тракта воздуха или воды в небольших объемах. На работу турбины это не повлияет, но поможет предотвратить нежелательные эффекты.
Как утверждает Дмитрий Платонов, эффект перезамыкания и отрыва вихревых «колец» был обнаружен его новосибирскими коллегами практически случайно, в ходе работы с экспериментальной установкой, моделирующей работу высоконапорной гидротурбины. Однако, когда группа начала изучать его, в частности, при помощи численного моделирования, оказалось, что такое поведение водной или воздушной среды может привести к опаснейшим последствиям, а именно к недооценке таких явлений. В свою очередь, недостаточная степень исследования закрученных потоков в гидротурбинном оборудовании может стать причиной крупной аварии. Как например, произошедшей на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году.
Прецессия вихревого ядра, срывы вихрей и повышенная нагрузка, в том числе по уровню шума, все эти проблемы, свойственные ветрогенераторам. И так как альтернативная энергетика перспективна для удалённых российских территорий (к примеру, регионов Крайнего Севера), такие проблемы могут решаться при участии сибирских учёных. Точность расчетов учёных в сопоставлении с результатами эксперимента составила практически 99%. Это означает, что численное моделирование вполне удобный, эффективный и высокоинформативный инструмент, с помощью которого можно сделать лучше любое технологическое оборудование для продления срока его эксплуатации и снизить аварийность на критически важных объектах. Эксперименты с расчётами могут проходить параллельно. Однако можно использовать только моделирование, что сильно сэкономит ресурсы и время. По мнению физика, важно, что алгоритм численного моделирования гибкий и хорошо адаптируется под индивидуальные задачи: можно рассчитать оптимальный режим работы под каждую конкретную турбину с учётом её массогабаритных показателей, формы и прочих подобных вещей.
