Розробка нових конструкцій горизонтальних капсульних гідротурбін

Abstract

Розглянуто ключові аспекти та шляхи підвищення енергетичної та експлуатаційної ефективності гідротурбінного обладнання гідроелектростанцій. Здійснено детальний аналіз напрямків удосконалення основних показників, які характеризують переваги лопатевих гідротурбін горизонтального типу. Особливу увагу приділено прямоточним повортно-лопатевим гідротурбінам з горизонтальним розташуванням осі обертання гідроагрегату. Зазначено, що ці гідротурбіни володіють значущими перевагами порівняно з турбінами, які використовують спіральну камеру для подачі води, зокрема високою пропускною здатністю та широким діапазоном експлуатації по напорам та витратам. Основний акцент авторами статті зроблено на перевагах прямоточних капсульних гідротурбін та їхньому потенційному використанні при високих напорах. Недоліком існуючих прямоточних гідроагрегатів є те, що вони працюють на низьких напорах до 25 м, тому необхідно займатися розробкою нових конструкцій гідротурбін даного типу. В роботі розглянуто нові конструктивні рішення, на які отримано патенти України, спрямовані на ефективне використання горизонтальних капсульних гідроагрегатів на вищих напорах, до 280 м, з розширенням зони надійної експлуатації. Висвітлена проблематика підвищення енергетичних та експлуатаційних показників гідротурбінного обладнання гідроелектростанцій ставить перед дослідниками важливі завдання щодо оптимізації конструкцій та покращення їхньої ефективності. Запропоновано рекомендації щодо проведення чисельного моделювання в програмах CFD (Computational Fluid Dynamics). Застосування CFD в даному контексті забезпечує детальне розуміння гідродинамічних процесів в проточних частинах гідротурбін, що є ключовим фактором у їх удосконаленні. Такий інтегрований підхід до дослідження, який включає в себе як експериментальні, так і чисельні методи, сприятиме розробці ефективних та надійних гідротурбін, відповідно до сучасних вимог сталого розвитку енергетики.

The key aspects and methods of increasing the energy and operational efficiency of hydraulic turbine equipment at hydroelectric power plants are considered. A detailed analysis of directions for improving the main indicators characterizing the advantages of horizontal-type bladed hydraulic turbines has been carried out. Particular attention is paid to direct-flow rotary-blade hydraulic turbines with a horizontal axis of rotation for the hydraulic unit. These hydraulic turbines offer significant advantages over those using a spiral casing for water supply, including high throughput and a wide range of operating pressures and flow rates. The focus of the article is on the advantages of direct-flow bulb hydraulic turbines and their potential use at high pressures. However, existing direct-flow hydraulic units operate at low heads of up to 25 m. Therefore, there is a need to develop new designs for these turbines to operate efficiently at higher heads up to 280 m, expanding the reliable operation zone. The paper examines new design solutions for which Ukrainian patents have been received, aiming at the effective use of horizontal bulb hydraulic units. The text highlights the problems of increasing the energy and operational performance of hydraulic turbine equipment at hydroelectric power plants, presenting important tasks for researchers to optimize structures and improve efficiency. Recommendations for carrying out numerical modeling in CFD (Computational Fluid Dynamics) programs are proposed to provide a detailed understanding of hydrodynamic processes in the flow parts of hydraulic turbines. The purpose of numerical modeling is to evaluate the efficiency and productivity of new hydroturbines in different operating modes. This includes analyzing the pressure distribution, flow rate and other characteristics inside the turbine. The obtained data will allow to identify potential "weak" points and optimize the blading and other structural elements for maximum efficiency. This integrated research approach, including both experimental and multiple methods, will contribute to the development of efficient and reliable hydroturbines in line with modern requirements for sustainable energy development.