Методика проектирования и оптимизации лопастной системы радиально-осевой гидротурбины

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.

1. Миронов 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.

2. 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.

3. 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.

4. Biswakarma I. B., Shrestha R. Mathematical Modeling for the Design of Francis Runner // Proceedings of IOE Graduate Conference. 2017. № 5. 8 p.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Обретенов В. Ръководство за курсово проектиране на хидравлични турбомашини. София: ТУ – София, 1993. С. 169.

11. Барлит В. В. Гидравлические турбины. Киев: Вища школа, 1977. C. 176.

12. Nechleba M. Hydraulic Turbines. Their Design and Equipment / Trans. from Czech; ed. by C. Mayer, A.G. Evans. Prague, 1957. 631 p.

13. 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.

14. 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.

15. 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.