avroenОмский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение"Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering2588-03732587-764XОмский государственный технический университет10.25206/2588-0373-2023-7-1-47-54avroen-57Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕPOWER AND CHEMICAL ENGINEERINGМетодика проектирования и оптимизации лопастной системы радиально-осевой гидротурбиныTechnique for designing and optimization of the francis turbine blade systemhttps://orcid.org/0000-0001-9284-171XОмранМ.OmranM.

Омран Мохаммад, аспирант - Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики. SPIN-код: 5292-5533. AuthorID (РИНЦ): 1161680. ResearcherID: GZG-2431-2022.

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Omran Mohammad - Graduate Student of Higher School of Power Engineering, Institute of Energy, Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU), SPIN-code: 5292-5533. AuthorID (RSCI): 1161680. ResearcherID: GZG-2431-2022.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya str., 29, 195251

omranmohmmd58@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3044-8768ЖарковскийА. А.ZharkovskiyA. A.

Жарковский Александр Аркадьевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ, SPIN-код: 3637-7853. AuthorID (РИНЦ) 320919. AuthorID (SCOPUS): 7004534701. ResearcherID: Т-3278-2018.

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Zharkovskiy Alexander Arkadyevich - Doctor of Technical Sciences, Professor of Higher School of Power Engineering, Institute of Energy, SPbPU, SPIN-code: 3637-7853. AuthorID (RSCI) 320919. AuthorID (SCOPUS): 7004534701. ResearcherID: Т-3278-2018.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya str., 29, 195251

azharkovsky@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9816-4323ЩурВ. А.SchurV. A.

Щур Василий Алексеевич - кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ, SPIN-код: 3626-5109. AuthorID (РИНЦ): 1053584.

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Schur Vasiliy Alekseyevich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Higher School of Power Engineering, Institute of Energy, SPbPU, SPIN-code: 3626-5109. AuthorID (RSCI): 1053584.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya str., 29, 195251

tshur_va@spbstu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4671-0596СвободаД. Г.SvobodaD. G.

Свобода Дмитрий Геннадьевич - кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент Высшей школы энергетического машиностроения Института энергетики СПбПУ, SPIN-код: 7818-6325. AuthorID (РИНЦ): 651622. AuthorID (SCOPUS): 57205464117. ResearcherID: AAI-8147-2020.

195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

Svoboda Dmitriy Gennadyevich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of Higher School of Power Engineering, Institute of Energy, SPbPU, SPIN-code: 7818-6325. AuthorID (RCSI): 651622. AuthorID (SCOPUS): 57205464117. ResearcherID: AAI-8147-2020.

Saint Petersburg, Politechnicheskaya str., 29, 195251

svoboda.dmitry@gmail.comСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St. Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation202330032023714754Copyright © Омран М., Жарковский А.А., Щур В.А., Свобода Д.Г., 20232023Омран М., Жарковский А.А., Щур В.А., Свобода Д.Г.Omran M., Zharkovskiy A.A., Schur V.A., Svoboda D.G.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ariem.omgtu.ru/jour/article/view/57

Предложена методика проектирования и оптимизации лопастной системы радиально-осевой гидротурбины начиная с определения основных параметров всей проточной части. Также определяется диаметр рабочего колеса, необходимый для выработки номинальной мощности. Затем с помощью программы, реализующей квазитрехмерный подход, получается форма лопасти в первом приближении. Далее проводится серия расчетов трехмерного однофазного и двухфазного вязкого течения с целью определения КПД и кавитационных качеств гидротурбины при различных режимах работы. Критические значения коэффициента кавитации определены для трех режимов работы гидротурбины. С использованием многоцелевого генетического алгоритма (MOGA) по созданной поверхности отклика и суррогатной модели, ее описывающей, проведена оптимизация энергетических и кавитационных качеств гидротурбины на трех режимах ее работы. В результате оптимизации получено значительное повышение КПД гидротурбины, особенно при частичных нагрузках.

A technique for designing the blade systems of Francis turbine is proposed. Starting with the determination the main parameters of the turbine components, where it is compatible with the operation of a hydraulic turbine at a given head. Also, the diameter of the impeller required to generate the nominal power. Then, using the realizing of the quasi-three-dimensional approach, the shape of the blade is obtained as a first approximation for a given blade, a series of calculations of three-dimensional single-phase and twophase viscous flow is performed to determine the efficiency of the turbine at different operating modes, the cavitation properties of the turbine, respectively. The critical cavitation coefficient is determined for three operating points of hydraulic turbines. Using Multi-objective Genetic Algorithm (MOGA), the optimization of energy and cavitation properties is carried out for three operations pointes. The mathematical model is based on the Latin hypercube method. As a result of the optimization, a significant improvement in the efficiency of the hydraulic turbine has been obtained, especially at partial loads.

радиально-осевая гидротурбиналопастная системамногоцелевой генетический алгоритмматематическая моделькавитацияFrancis turbineblade systemmulti-objective genetic algorithmmathematical modelcavitationReferencesМиронов К. А., Яковлева Л. К., Гулахмадов А. А. Совершенствование проточных частей радиально-осевых гидротурбин // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплотехнічні процеси та устаткування. 2014. № 1 (1044). С. 146–151.Mironov K. A., Yakovleva L. K., Gulakhmadov A. A. Sovershenstvovaniye protochnykh chastey radial’no-osevykh gidroturbin [Improvement of flow parts of radial-axial hydraulic turbines]] // Vіsnik NTU «KhPІ». Serіya: Energetichnі ta teplotekhnіchnі protsesi ta ustatkuvannya. Bulletin of NTU «KhPI». Subject Issue: New Solutions in Modern Technology. 2014. No. 1 (1044). P. 146–151. (In Russ.).Kocaka E., Karaaslana S., Yucela N. [et al.]. A numerical case study: Bovet approach to design a Francis turbine runner // Energy Procedia. 2017. Vol. 111. P. 885–894. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.251.Kocaka E., Karaaslana S., Yucela N. [et al.]. A numerical case study: Bovet approach to design a Francis turbine runner // Energy Procedia. 2017. Vol. 111. P. 885–894. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.251. (In Engl.).Patel K., Desai J. Development of Francis Turbine using Computational Fluid Dynamics // The 11th Asian International Conference on Fluid Machinery, India. 2011. DOI: 10.13140/2.1.2177.4402.Patel K., Desai J. Development of Francis Turbine using Computational Fluid Dynamics // The 11th Asian International Conference on Fluid Machinery, India. 2011. DOI: 10.13140/2.1.2177.4402. (In Engl.).Biswakarma I. B., Shrestha R. Mathematical Modeling for the Design of Francis Runner // Proceedings of IOE Graduate Conference. 2017. № 5. 8 p.Biswakarma I. B., Shrestha R. Mathematical Modeling for the Design of Francis Runner // Proceedings of IOE Graduate Conference. 2017. No. 5. 8 p. (In Engl.).Миронов К. А., Тыньянова И. И., Гулахмадов А. А. Создание высокоэффективных проточных частей высоконапорных радиально-осевых гидротурбин // Вісник НТУ «ХПИ». Серія: Нові рішення у сучасних технологіях. 2012. № 50 (956). С. 127–133.Mironov K. A., Tynyanova I. I., Gulakhmadov A. A. Development of highly efficient flow parts for high-pressure radialaxis hydraulic turbines [Highly effective flow space creation of high-head Francis turbines] // Vіsnik NTU «KhPI». Serіya: Novі rіshennya u suchasnikh tekhnologіyakh. Bulletin of NTU «KhPI». Subject Issue: New Decisions of Modern Technologies. 2012. No. 50 (956). P. 127–133. (In Russ.).Flores E., Bornard L., Tomas L. Design of large Francis turbine using optimal methods // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2012. Vol. 15 (2). DOI: 10.1088/17551315/15/2/022023.Flores E., Bornard L., Tomas L. Design of large Francis turbine using optimal methods // IOP Conference Series Earth and Environmental Science. 2012. Vol. 15 (2). DOI: 10.1088/1755-1315/15/2/022023. (In Engl.).Топаж Г. И. Лопастные гидромашины и гидродинамические передачи. Основы рабочего процесса и расчета гидротурбин. Санкт-Петербург: Изд-во Политехн ун-та, 2011. C. 109. ISBN 978-5-7422-2610-9.Topazh G. I. Lopastnyye gidromashiny i gidrodinamicheskiye peredachi. Osnovy rabochego protsessa i rascheta gidroturbin [Vane hydraulic machines and hydrodynamic transmissions. Fundamentals of hydraulic turbine operation and calculation]. St. Petersburg, 2011. P. 109. ISBN 978-5-7422-2610-9. (In Russ.).Жарковский А., Щур В. А., Омран М., Стасеев А. А. Автоматизация проектирования рабочего колеса радиальноосевой гидротурбины / Известия МГТУ «МАМИ». 2021. № 4 (50). C. 18–26. DOI: 10.31992/2074-0530-2021-50-4-18-26.Zharkovskiy A., Shchur V. A., Omran M., Staseyev A. A. 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.).Федоров А. В., Струментова Н. С., Шумилин С. А. Автоматизированное проектирование лопастных систем рабочих колес насос-турбин на напоры 90-150 м // Труды ЦКТИ. 1988. Вып. 244. С. 28–35.Fedorov A. V., Strumentova N. S., Shumilin S. A. Avtomatizirovannoye proyektirovaniye lopastnykh sistem rabochikh koles nasos-turbin na napory 90-150 m [Automated design of pump-turbine impeller vane systems for 90-150 m head] // Trudy TsKTI. 1988. Issue. 244. P. 28–35. (In Russ.).Обретенов В. Ръководство за курсово проектиране на хидравлични турбомашини. София: ТУ – София, 1993. С. 169.Obretenov V. R”kovodstvo za kursovo proyektirane na khidravlichni turbomashini. Sofiya [Course design manual for hydraulic turbomachinery]. Sofia, 1993. P. 169. (In Bulg.).Барлит В. В. Гидравлические турбины. Киев: Вища школа, 1977. C. 176.Barlit V. V. Gidravlicheskiye turbiny [Hydraulic turbines]. Kiev, 1977. P. 176. (In Russ.).Nechleba M. Hydraulic Turbines. Their Design and Equipment / Trans. from Czech; ed. by C. Mayer, A.G. Evans. Prague, 1957. 631 p.Nechleba M. Hydraulic Turbines. Their Design and Equipment / Trans. from Czech; ed. by C. Mayer, A.G. Evans. Prague, 1957. 631 p. (In Engl.).Felipe A. C. Viana. A Tutorial on Latin Hypercube Design of Experiments // Quality and Reliability Engineering. 2015. № 32 (5). P. 1975–1985. DOI: 10.1002/qre.1924.Felipe A. C. Viana. A Tutorial on Latin Hypercube Design of Experiments // Quality and Reliability Engineering. 2015. № 32 (5). P. 1975–1985. DOI: 10.1002/qre.1924. (In Engl.).Chen Z., Baek S. H., Cho H. [et al.]. Optimal design of J-groove shape on the suppression of unsteady flow in the Francis turbine draft tube // Journal of Mechanical Science and Technology. 2019. Vol. 33 (3). DOI: 10.1007/s12206-019-0423-x.Chen Z., Baek S. H., Cho H. [et al.]. Optimal design of J-groove shape on the suppression of unsteady flow in the Francis turbine draft tube // Journal of Mechanical Science and Technology. 2019. Vol. 33 (3). DOI: 10.1007/s12206-019-0423-x. (In Engl.).Ghimire A., Gautam S., Chitrakar S. [et al.]. Optimization of Francis Turbine Runner for Variable Speed Operations with minimization of sediment erosion // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1079. DOI: 10.1088/17551315/1079/1/012029.Ghimire A., Gautam S., Chitrakar S. [et al.]. Optimization of Francis Turbine Runner for Variable Speed Operations with minimization of sediment erosion // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1079. DOI: 10.1088/17551315/1079/1/012029. (In Engl.).

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