Design of highly efficient water passage of pump-turbine

Abstract

The problem of the need to develop renewable energy sources as a way to save the energy supply and energy independence of Ukraine by changing the consumption of carbohydrates is considered. It is shown that the development of Ukrainian renewable energy must occur in parallel with the development of energy storage systems and balancing of the energy system. The most effective system for storing energy and balancing the energy system is pumped storage power stations (PSPS). The work shows that the design of a highly effective equipment of a hydroelectric power plant depends on the correct selection of the element geometry of the pump-turbine water passage. Therefore, it is possible to ensure the necessary level of energy characteristics of hydraulic equipment. A method of dimensionless average parameters was established, which allows even at the initial stages of designing new reversible hydraulic machines to determine the optimal geometry of the watter passage elements. This method showed good results during the numerical research of Francis hydraulic turbines at a wide range of heads, as well as reversible hydromachines at heads of 300–500 m. Using expressions that establish the connection of hydrodynamic characteristics with dimensionless complexes, three variants of the flow part of the high-pressure pump-turbines (ORO500) were investigated. Based on the obtained results, a significant influence of the geometry on the hydraulic indicators of the machine was noted. The distribution of energy losses in the inlet, blade system and outlet was analyzed. The greatest energy losses occur in the inlet of the pump-turbines. To increase the energy and kinematic indicators of the ORO500 pump-turbines, the geometry of the feed elements, as well as the spiral casing and stator, was changed. Variants for improving the parameters in the elements of the supply of the water passage of the pump-turbine are proposed.

Розглянуто проблему необхідності розвитку відновлюваних джерел енергії як засобу збереження довкілля та енергонезалежності України з метою зменшення використання органичного палива. Показано, що розвиток української відновлюваної енергетики повинен відбуватися паралельно з будівництвом систем накопичення енергії та балансування енергосистеми. Найефективніший у системі накопичення енергії та балансування енергосистеми є гідроакумулюючі електричні станції (ГАЕС). В роботі показано, що створення високоефективного устаткування ГАЕС багато в чому залежить від правильного вибору геометрії елементів проточної частини оборотних гідромашин, завдяки чому виникає можливість забезпечити необхідний рівень енергетичних показників гідрообладання. Застосування методу осереднених безрозмірних характеристик в характерних перерізах проточної частини дозволяє вже на початкових етапах проектування нових оборотних гідравлічних машин обрати оптимальну геометрію елементів проточної частини. Даний метод позитивно зарекомендував себе при чисельному дослідженні радіально-осьових гідротурбін у широкому діапазоні напорів, а також оборотних машин на напори 300–500 м. Використовуючи вирази, які встановлюють зв'язок гідродинамічних характеристик з безрозмірними комплексами були досліджені три варіанти проточної частини високонапірної оборотної гідромашини ОРО500. На основі отриманих результатів відмічено значний вплив геометрії на показники гідромашини. Проаналізовано розподіл втрат енергії у підводі, лопатевій системі та відводі. Найбільші втрати енергії відбуваються у підводі оборотної гідромашини. Для підвищення енергетичних та кінематичних показників оборотної гідромашини ОРО500 було змінено геометрію елементів підводу, а саме спіральної камери і статору. Запропоновано варіанти покращення показників в елементах підводу проточної частини оборотної гідромашини.