avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2023-7-4-40-47avroen-108Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGМетод оценки теоретических характеристик малых осевых гидротурбинMethod for assessing the theoretical characteristics of small axial hydraulic turbinesМылкинД. В.MylkinD. V.

МЫЛКИН Дмитрий Васильевич, аспирант кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В. С. Квятковского, младший научный сотрудник лаборатории микроГЭС (120012)

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1

MYLKIN Dmitriy Vasilyevich, Graduate Student of Fluid Mechanics and Hydraulic Machines named after V. S. Kvyatkovsky Department, Junior Researcher at the Laboratory of Microhydroelectric Power Plants (120012)

Moscow, Krasnokazarmennaya str., 14, bld. 1, 111250

MylkinDV@mpei.ruВолковА. В.VolkovA. V.

ВОЛКОВ Александр Викторович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой гидромеханики и гидравлических машин им. В. С. Квятковского

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1

VOLKOV Aleksander Viktorovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Fluid Mechanics and Hydraulic Machines named after V. S. Kvyatkovsky Department

Moscow, Krasnokazarmennaya str., 14, bld. 1, 111250

VolkovAV@mpei.ruОрахелашвилиБ. М.OrakhelashviliB. M.

ОРАХЕЛАШВИЛИ Баграт Мерабович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В. С. Квятковского, ведущий научный сотрудник лаборатории микроГЭС (120012)

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1

ORAKHELASHVILI Bagrat Merabovich, Candidateof Technical Sciences, Associate Professor, Associate Professor of Fluid Mechanics and Hydraulic Machines named after V. S. Kvyatkovsky Department, Leading Researcher at the Laboratory of Microhydroelectric Power Plants (120012)

Moscow, Krasnokazarmennaya str., 14, bld. 1, 111250

OrakhelashvBM@mpei.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9198-9253ДружининА. А.DruzhininA. A.

ДРУЖИНИН Алексей Анатольевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В. С. Квятковского, заведующий лабораторией микроГЭС (120012)

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1

DRUZHININ Aleksey Anatolyevich, Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Fluid Mechanics and Hydraulic Machines named after V. S. Kvyatkovsky Department, Head of the Microhydroelectric Power Plant Laboratory (120012)

Moscow, Krasnokazarmennaya str., 14, bld. 1, 111250

DruzhininAA@mpei.ruЛяпинВ. Ю.LyapinV. Yu.

ЛЯПИН Валерий Юрьевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры гидромеханики и гидравлических машин им. В. С. Квятковского, ведущий научный сотрудник лаборатории микроГЭС (120012)

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1

LYAPIN Valeriy Yuryevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of Fluid Mechanics and Hydraulic Machines named after V. S. Kvyatkovsky Department, Leading Researcher at the Laboratory of Microhydroelectric Power Plants (120012)

Moscow, Krasnokazarmennaya str., 14, bld. 1, 111250

LiapinVY@mpei.ruНациональный исследовательский университет «МЭИ»РоссияNational Research University «Moscow Power Engineering Institute»Russian Federation202330122023744047Copyright © Мылкин Д.В., Волков А.В., Орахелашвили Б.М., Дружинин А.А., Ляпин В.Ю., 20232023Мылкин Д.В., Волков А.В., Орахелашвили Б.М., Дружинин А.А., Ляпин В.Ю.Mylkin D.V., Volkov A.V., Orakhelashvili B.M., Druzhinin A.A., Lyapin V.Y.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/108

В статье рассматривается метод проектирования лопастной системы гидротурбины. Предлагаемая методика основывается на разработке обобщенного поэтапного метода, включающего проектирование скелетной поверхности лопасти осевой микрогидротурбины, и последующего исследования эффективности рабочего колеса. Методика опирается на современные методы исследований и сопровождается полным циклом проектирования: от задания начальных условий до создания 3D-модели рабочих органов гидротурбины. Разработанный алгоритм проектирования позволяет добиться упрощения и ускорения процесса проектирования малых гидротурбин. В заключение представлены прикладное применение и направления возможного совершенствования данной методики.

Energy supply to remote areas remains a technical and social challenge. Construction of transmission lines to provide electricity to such areas is expensive and not always possible. One of the promising areas in this area is local energy generation based on local resources, in particular small watercourses, using small hydroelectric power plants.

Small hydroelectric power plants are small hydropower facilities that use the energy of small watercourses to generate electricity. They have a number of advantages over traditional energy sources, such as environmental friendliness, low operating costs and high efficiency.

However, the widespread introduction of small hydroelectric power plants is hampered by the lack of mass production of small hydraulic turbines and difficulties in designing low-power plants. Designing hydraulic turbines is a complex task that requires solving the inverse problem of hydrodynamics and finding the optimal shape of the flow path.

To simplify the design of hydraulic turbines in the modern world, specialized software is used using various methods, including flow analysis, energy loss and blade shape optimization.

This article based on an analysis of existing methods for designing and using a mathematical model of a hydraulic turbine with simplified blades, proposes a method for designing and analyzing the theoretical characteristics of the resulting hydraulic turbine.

In conclusion, taking into account the use of the methodology for designing a hydraulic turbine for given parameters, its assessment is given, as well as ways to possibly improve the accuracy of the results obtained. Possible areas of application of the outlined design methodology are indicated.

микрогидротурбинаскелет лопастирабочее колесо гидротурбиныпроектирование и оптимизация микроГЭСmicrohydroturbineblade skeletonhydraulic turbine impellerdesign and optimization of microhydroelectric power stationРезультаты получены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения Государственного задания № FSWF-2022-0008, вступившего в силу в соответствии с Соглашением № 075-03-2022-138/5 от 02.11.2022.The results are obtained with the financial support of the Russian Ministry of Science and Higher Education under the State Assignment No. FSWF-2022-0008, entered into force in accordance with Agreement No. 075-03-2022-138/5 of 02.11.2022.ReferencesЛюкайтис В. Ю., Глушков С. Ю. Автономные энергокомплексы, гибридные конструкции с применением возобновляемых источников энергии // Силовое и энергетическое оборудование. Автономные системы. 2019. Т. 2, вып. 2. С. 111–120. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-2-111-120.Lyukaytis V. Yu., Glushkov S. Yu. Avtonomnyye energokompleksy, gibridnyye konstruktsii s primeneniyem vozobnovlyayemykh istochnikov energii [Autonomous power generation facilities, hybrid structures comprising renewable energy sources] // Silovoye i energeticheskoye oborudovaniye. Avtonomnyye sistemy. Power and Energy Equipment. Autonomous Systems. 2019. Vol. 2, Issue 2. P. 111–120. DOI: 10.32464/2618-8716-2019-2-2-111-120. (In Russ.).Дружинин А. А., Парыгин А. Г., Волков А. В. [и др.]. К вопросу о совершенствовании элементов проточной части малых и микрогидротурбин для автономных энергоисточников // Насосы. Турбины. Системы. 2018. № 3 (28). С. 62–75. EDN: YUJVVB.Druzhinin A. A., Parygin A. G., Volkov A. V. [et al.]. K voprosu o sovershenstvovanii elementov protochnoy chasti malykh i mikrogidroturbin dlya avtonomnykh energoistochnikov [To the question of the flow part elements perfection of small and micro hydroturbines for autonomous energy sources] // Nasosy. Turbiny. Sistemy. Pumps. Turbines. Systems. 2018. No. 3 (28). P. 62–75. EDN: YUJVVB. (In Russ.).Abdul M., Priyono S., Aryadi S. [et al.]. Design Optimization of Axial Hydraulic Turbine for Very Low Head Application // Energy Procedia. 2015. Vol. 68. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.03.255.Abdul M., Priyono S., Aryadi S. [et al.]. Design Optimization of Axial Hydraulic Turbine for Very Low Head Application // Energy Procedia. 2015. Vol. 68. DOI: 10.1016/j.egypro.2015.03.255. (In Engl.).Chen J., Engeda A. Standard module hydraulic technology: A novel geometrical design methodology and analysis for a lowhead hydraulic turbine system, Part I: General design methodology and basic geometry considerations // Energy. 2020. Vol. 196. 117151. DOI: 10.1016/j.energy.2020.117151.Chen J., Engeda A. Standard module hydraulic technology: A novel geometrical design methodology and analysis for a lowhead hydraulic turbine system, Part I: General design methodology and basic geometry considerations // Energy. 2020. Vol. 196. 117151. DOI: 10.1016/j.energy.2020.117151. (In Engl.).Ильичев В. Ю., Юрик Е. А., Трутнев Д. С. Обобщённая методика автоматизированного проектирования обратимых гидротурбин // Научное обозрение. Технические науки. 2019. № 5. С. 5–10. EDN: UXNGNJ.Il’ichev V. Yu., Yurik E. A., Trutnev D. S. Obobshchennaya metodika avtomatizirovannogo proyektirovaniya obratimykh gidroturbin [The generalized technique of automated design of reversible water-wheels] // Nauchnoye obozreniye. Tekhnicheskiye nauki. Scientific Review. Technical Science. 2019. No. 5. P. 5–10. EDN: UXNGNJ. (In Russ.).Жарковский А. А., Щур В. А., Омран М. [и др.]. Автоматизация проектирования рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины // Известия МГТУ «МАМИ». 2021. № 4 (50). С. 18–26. DOI: 10.31992/2074-0530-2021-50-4-18-26.Zharkovskiy A. A., Shchur V. A., Omran M. [et al.]. Avtomatizatsiya proyektirovaniya rabochego kolesa radial’noosevoy gidroturbiny [Automation of the design of the impeller of a radial-axial hydraulic turbine] // Izvestiya MGTU «MAMI». Izvestiya MGTU MAMI. 2021. No. 4 (50). P. 18–26. DOI: 10.31992/2074-0530-2021-50-4-18-26. (In Russ.).Банников Д. В., Черный С. Г., Чирков Д. В. [и др.]. Оптимизационное проектирование формы проточной части гидротурбины и анализ течения в ней // Вычислительные технологии. 2010. Т. 15, № 4. С. 73–94.Bannikov D. V., Chernyy S. G., Chirkov D. V. [et al.]. Optimizatsionnoye proyektirovaniye formy protochnoy chasti gidroturbiny i analiz techeniya v ney [Optimization design of the shape of the flow part of a hydraulic turbine and analysis of the flow in it] // Vychislitel’nyye tekhnologii. Computer Technology. 2010. Vol. 15, no. 4. P. 73–94. (In Russ.).Астракова А. С., Банников Д. В., Чёрный С. Г. [и др.]. Численные методы оптимизационного проектирования проточных частей гидротурбин // Вычислительные технологии. 2014. Т. 19, № 1. C. 20–39. EDN: RYYHAH.Astrakova A. S., Bannikov D. V., Chernyy S. G. [et al.]. Chislennyye metody optimizatsionnogo proyektirovaniya protochnykh chastey gidroturbin [Numerical methods for optimization design of hydraulic turbine flow parts] // Vychislitel’nyye tekhnologii. Computer Technology. 2014. Vol. 19, no. 1. P. 20–39. EDN: RYYHAH. (In Russ.).Лобарева И. Ф., Скороспелов В. А., Турук П. А. [и др.]. Об одном подходе к оптимизации формы лопасти гидротурбины // Вычислительные технологии. 2005. Т. 10, № 6. C. 52–74. EDN: KWZJBH.Lobareva I. F., Skorospelov V. A., Turuk P. A. [et al.]. Ob odnom podkhode k optimizatsii formy lopasti gidroturbiny [On one approach to optimizing the shape of a hydraulic turbine blade] // Vychislitel’nyye tekhnologii. Computer Technology. 2005. Vol. 10, no. 6. P. 52–74. EDN: KWZJBH. (In Russ.).Xia X., Luo H., Li S. [et al.]. Characteristics and factors of mode families of axial turbine runner // International Journal of Mechanical Sciences. 2023. Vol. 251. 108356. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2023.108356.Xia X., Luo H., Li S. [et al.]. Characteristics and factors of mode families of axial turbine runner // International Journal of Mechanical Sciences. 2023. Vol. 251. 108356. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2023.108356. (In Engl.).ОСТ 108.023.107-85. Турбины гидравлические горизонтальные капсульные. Введ. 01–01–1986. Москва, 1986. 38 с.OST 108.023.107-85. Turbiny gidravlicheskiye gorizontal’nyye kapsul’nyye [Hydraulic horizontal capsule turbines]. Moscow, 1986. 38 p. (In Russ.).Барлит В. В. Гидравлические турбины. Киев: Вища школа, 1977. 360 с.Barlit V. V. Gidravlicheskiye turbiny [Hydraulic turbines]. Kiev, 1977. 360 p. (In Russ.).Ковалёв Н. Н. Гидротурбины: Конструкции и вопросы проектирования. 2-е изд., доп. и перераб. Ленинград: Машиностроение, 1971. 584 с.Kovalev N. N. Gidroturbiny: Konstruktsii i voprosy proyektirovaniya [Hydroturbines: Structures and design issues]. 2nd ed. Leningrad, 1971. 584 p. (In Russ.).Ермаков И. Н., Орахелашвили Б. М., Лямасов А. К. [и др.]. Математическое моделирование рабочих органов осевой гидротурбины малой ГЭС // Гидравлика. 2022. № 15. C. 1–12. EDN: UUTIHO.Ermakov I. N., Orakhelashvili B. M., Lyamasov A. K. [et al.]. Matematicheskoye modelirovaniye rabochikh organov osevoy gidroturbiny maloy GES [Mathematical modeling of the working bodies of an axial hydraulic turbine of a small hydroelectric power station] // Gidravlika. Hydraulics. 2022. No. 15. P. 1–12. EDN: UUTIHO. (In Russ.).Викторов Г. В. Гидродинамическая теория решеток. Москва: Высшая школа, 1969. 368 c.Viktorov G. V. Gidrodinamicheskaya teoriya reshetok [Hydrodynamic theory of lattices]. Moscow, 1969. 368 p. (In Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.