Цилиндрический завихритель потока с удлиненной хордой лопастей

Введение. Разработка вихревых аппаратов — устройств для закрутки потоков жидкостей и газов — остается актуальной научной и инженерной задачей. Рассматривается конструкция закручивающего поток аппарата контрвихревого гасителя на холостом водовыпуске Белореченской гидроэлектростанции (ГЭС). Цель исследования — разработка эффективного контрвихревого гасителя избыточной кинетической энергии потока воды.

Материалы и методы. Используются аналитические методы классической гидромеханики. В концептуальную основу исследований положено фундаментальное равенство геометрической характеристики вихревого аппарата по Абрамовичу (число Абрамовича) числу закрутки потока Хигера – Бэра.

Результаты. Установлено, что геометрическая характеристика цилиндрического лопастного завихрителя не зависит от радиуса выходных кромок закручивающих поток лопастей, но зависит от угла скоса лопастей на этом радиусе. Это позволяет, согласно фундаментальному равенству чисел Абрамовича и Хигера – Бэра, сохраняя угол скоса лопастей, смещать их по радиусу камеры закрутки либо выполнять их с удлиненной хордой, оставляя гидравлические характеристики вихревого аппарата и закрученного им потока неизменными. Удлинение хорды лопастей вихревого аппарата повышает надежность и качество формирования закрученного им потока. На основе дифференциального уравнения, описывающего линии тока течения в цилиндрической камере закрутки, доказано, что хорда плавно обтекаемой потоком удлиненной лопасти завихрителя должна иметь форму логарифмической спирали. Показано,
что вихревой аппарат, выполненный в виде лопастной системы логарифмических спиралей, формирует течение с наложением потенциального вращения на потенциальный сток.

Выводы. Проанализирована конструкция контрвихревого гасителя энергии потока на водовыпуске Белореченской ГЭС с системой лопастей в форме логарифмических спиралей. Предложено рекомендовать рассмотренную конструкцию в качестве типовой для гидроузлов среднего напора.

1. Галич Р.В. Исследование, разработка и конструктивное оформление многофункциональных вихревых аппаратов // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2013. Т. 3. № 7 (63). С. 32–40.

2. Wu W., Luo Y., Chu G.W., Liu Y., Zou H.K., Chen J.F. Gas flow in a multiliquid-inlet rotating packed bed: three-dimensional numerical simulation and internal optimization // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2018. Vol. 57. Issue 6. Pp. 2031–2040. DOI: 10.1021/acs.iecr.7b04901

3. Voinov N.A., Zemtsov D.A., Zhukova O.P., Bogatkova A.V. Hydraulic resistance of tangential swirlers // Chemical and Petroleum Engineering. 2019. Vol. 55. Issue 1–2. Pp. 51–56. DOI: 10.1007/s10556-019-00584-y

4. Бахронов Х., Ахматов А., Жураев Д. Исследование влияния конструктивных и режимных параметров на гидродинамику полого вихревого аппарата // Химия и химическая технология. 2020. № 4 (70). С. 47–50. DOI: 10.51348/RGIR9524

5. Фролов А.С., Войнов Н.А., Богаткова А.В., Земцов Д.А., Жукова О.П. Сопротивление тангенциальных завихрителей с прямыми стенками каналов // Теоретические основы химической технологии. 2021. Т. 55. № 5. С. 602–611. DOI: 10.31857/S0040357121040060

6. Володин А.М. Перспективные комбинированные скрубберы для газоочистки в промышленности и тепловой энергетике // Энергетик. 2018. № 8. С. 29–32.

7. Wang Z., Yang T., Liu Z., Wang S., Gao Y., Wu M. Mass transfer in a rotating packed bed: a critical review // Chemical Engineering and Processing — Process Intensification. 2019. Vol. 139. Pp. 78–94. DOI: 10.1016/j.cep.2019.03.020

8. Горобец А.Г. Вихревые потоки в судовых системах и устройствах // Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2019. Т. 11. № 2. С. 349–356. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-2-349-356

9. Yin J., Qian Y., Zhang T., Wang D. Measurement on the flow structure of a gas-liquid separator applied in TMSR // Annals of Nuclear Energy. 2019. Vol. 126. Pp. 20–32. DOI: 10.1016/j.anucene.2018.11.009

10. Zhou C., Wu X., Zhang T., Zhao X., Gai S., Xiang H. Dynamic analysis for two-phase vortex flow and optimization of vortex tools to unload liquid from gas wells // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2019. Vol. 173. Pp. 965–974. DOI: 10.1016/j.petrol.2018.10.091

11. Dziubak T., Bąkała L., Karczewski M., Tomaszewski M. Numerical research on vortex tube separator for special vehicle engine inlet air filter // Separation and Purification Technology. 2020. Vol. 237. P. 116463. DOI: 10.1016/j.seppur.2019.116463

12. Wang Z., Sun G., Jiao Y. Experimental study of large-scale single and double inlet cyclone separators with two types of vortex finder // Chemical Engineering and Processing — Process Intensification. 2020. Vol. 158. P. 108188. DOI: 10.1016/j.cep.2020.108188

13. Zinurov V.E., Dmitriev A.V., Badretdinova G.R., Bikkulov R.Ya., Madyshev I.N. The gas flow dynamics in a separator with coaxially arranged pipes // MATEC Web of Conferences. 2020. Vol. 329. P. 03035. DOI: 10.1051/matecconf/202032903035

14. Дмитриев А.В., Биккулов Р.Я., Мадышев И.Н., Маясова А.О., Семенычев П.А. Оценка эффективности осаждения аэрозолей при очистке газов в мультивихревом сепараторе // Экология и промышленность России. 2022. Т. 26. № 3. С. 4–9. DOI: 10.18412/1816-0395-2022-3-4-9

15. Drioli C. Experienze su istallazioni con posso di searico a vortices // L’Energia Elettrica. 1969. No. 6. Pp. 399–409.

16. Ахмедов Т.К., Квасов А.Н., Садуов Р.Г. Исследование шахтного водосброса селезащитной плотины Медео // Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства. Труды КазНИИЭ. 1976. № 13. С. 185–193.

17. Кривченко Г.И., Остроумов С.Н. Высоконапорная вихревая водосбросная система с вихревым затвором // Гидротехническое строительство. 1972. № 10. С. 33–35.

18. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Мордасов А.П. Закрученные потоки в гидротехнических сооружениях. М. : Энергоатомиздат, 1990. 280 с.

19. Ахметов В.К., Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Орехов Г.В. Моделирование и расчет контрвихревых течений. М. : Издательство МИСИ – МГСУ, 2012. 252 с.

20. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Орехов Г.В., Чурин П.С. Пропуск холостых расходов через турбинный блок средне- или высоконапорной ГЭС (часть 1) // Гидротехническое строительство. 2013. № 4. С. 51–56.

21. Волшаник В.В., Зуйков А.Л., Орехов Г.В., Чурин П.С. Пропуск холостых расходов через турбинный блок средне- или высоконапорной ГЭС (часть 2) // Гидротехническое строительство. 2013. № 5. С. 32–40.

22. Зуйков А.Л. Гидравлика. Том 1. Основы механики жидкости. М. : Издательство МИСИ – МГСУ, 2019. 544 с.

23. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М. : ГИТТЛ, 1953. 736 с.

24. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М. : Физматгиз, 1960. 715 с.

25. Chigier N.A., Chervinsky A. Experimental investigation of swirling vortex motion in jets // Journal of Applied Mechanics. 1967. Vol. 34. Issue 2. Pp. 443–451. DOI: 10.1115/1.3607703

26. Beér J.M., Chigier N.A. Combustion aerodynamics. New York : Halsted Press Division, Wiley, 1972. 264 p.

27. Gupta A.K., Lilley D.G., Syred N. Swirl flows. England : Abacus Press, Tunbridge Wells, 1984. 475 p.

28. Зуйков А.Л. Гидродинамика циркуляционных течений. М. : Изд-во АСВ, 2010. 216 с.