Automation of the design of the impeller of a radial-axial hydraulic turbine

Cover Page


Cite item

Full Text

Abstract

The article describes approaches to the design of a vane system of radial-axial hydraulic turbines based on an automated design system developed at SPbPU using the Python programming language. The specified system currently includes the following modules: selection of the main parameters of the hydraulic turbine, construction of the meridional projection of the impeller, calculation of the potential flow and construction of the blade system of the radial-axial hydraulic turbine. The choice of the main parameters of the hydraulic turbine is based on the technique generally accepted in hydraulic turbine engineering, which has been digitized and introduced into the software package. The paper considers and analyzes different approaches to the design of the meridional bypasses of the flow path in the area of the impeller of a radial-axial hydraulic turbine, a comparison of the results of their construction using different methods is given. A technique that is most suitable for algorithmization in the software package based on the results of the analysis was selected. The construction of streamlines and the calculation of velocities along them are presented on the basis of the calculation of the potential flow in the meridian section. The design of the blade system of the hydraulic turbine was carried out by the method of solving the direct axisymmetric problem of the theory of hydraulic machines. As an example, a blade system of a radial-axial hydraulic turbine was designed for a head up to 75 meters, the initial parameters of which correspond to hydraulic turbines-analogues of similar speed. The designed hydro turbine was calculated in Ansys, and the results confirmed its excellent energy properties. It is planned to further develop the software package in terms of automatic construction of 3-dimensional solid models of the flow path, which can later be calculated by the methods of computational fluid dynamics and optimized to obtain hydraulic turbines with parameters corresponding to the current state of the art.

About the authors

A. A. Zharkovskiy

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: tshur_va@spbstu.tu

DSc in Engineering

Russian Federation, Saint Petersburg

V. A. Shchur

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: tshur_va@spbstu.tu

PhD in Engineering

Russian Federation, Saint Petersburg

M. Omran

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: tshur_va@spbstu.tu
Russian Federation, Saint Petersburg

A. A. Staseyev

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: tshur_va@spbstu.tu
Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Lomakin A.A. Tsentrobezhn·yye i osev·yye nasosy [Centrifugal and axial pumps]. Leningrad: Mashi-nostroyeniye Publ., 1966. 364 p.
  2. Barlit V.V. Gidravlicheskiye turbiny [Hydraulic turbines]. Kiyev, «Vishcha shkolA» Publ., 1977, 360 p.
  3. Gryanko L.P. Postroyeniye potentsial'nogo meridiannogo potoka i gidrodinamicheskiy raschet beskonechno-tonkoy lopasti radial'no-osevoy gidroturbiny po metodu Bauersfel'da-Voznesenskogo [Construction of a potential meridian flow and hydrodynamic calculation of an infinitely thin blade of a radial-axial hydraulic turbine using the Bauersfeld-Voznesensky method]. Leningrad: Izd-vo LPI im. M.I. Kalinina Publ., 1985. 32 p.
  4. Topazh G.I. Lopastn·yye gidromashiny i gidrodinamicheskiye peredachi. Osnovy rabochego protsessa i rascheta gidroturbin [Blade hydraulic machines and hydrodynamic transmissions. Hydro turbine workflow and design fundamentals]. SPb.: Izd-vo Politekhn un-ta Publ., 2011. 154 p.
  5. Klimovich V.I. Calculation of flows in the flow path of pump-turbines based on the solution of the direct axisymmetric problem of the theory of hydraulic machines. Izvestiya AN SSSR. MZHG. 1988. No 4 (in Russ.).
  6. Fedorov A.V., Strumentova N.S., Shumilin S.A. Computer-aided design of vane systems for pump-turbine impellers for heads of 90-150 m. Trudy TSKTI. 1988. Vyp. 244, pp. 28−35 (in Russ.).
  7. CFTurbo
  8. Pospelov A.YU. Metodika rognozirovaniya energeticheskikh kharakteristik gidroturbin na osnove rascheta trekhmernogo vyazkogo techeniya neszhimayemoy zhidkosti. Avtoref. na soisk. uch. step k.t.n. [A method for predicting the energy characteristics of hydraulic turbines based on the calculation of a three-dimensional viscous flow of an incompressible fluid: Abstract for Dissertation for Degree of PhD in Engineering], SPb, SPBGPU Publ., 2013, 16 p.
  9. Chernyy S.G., Chirkov D.V., Lapshin V.N. i dr. Chislennoye modelirovaniye techeniy v turbomashinakh [Numerical simulation of flows in turbomachines]. Novosibirsk : Nauka Publ., 2006. 202 p.
  10. ANSYS CFX User's Guide, release 14.5. ANSYS, Inc., February 12, 2013
  11. Mironov K.A., Yakovleva L.K., Gulakhmadov A.A. Improvement of flow paths of radial-axial hydraulic tur-bines. Vіsnik NTU «KHPІ». Serіya: Yenergetichnі ta teplotekhnіchnі protsesi ta ustatkuvannya. KH.: NTU «KHPІ», 2013 (in Russ.).
  12. Fedorov A.V., Vitenzon M.S. The method of optimization of the lattices of the profiles of hydraulic ma-chines for the Flowing part CAD subsystem. Trudy TSKTI, 1987, vyp. 232, pp. 18–22 (in Russ.).
  13. Golikov V.A., Zharkovskiy A.A., Topazh G.I. Software systems for calculating the flow and computer-aided design of vane hydraulic machines. Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti SPBGPU. Seriya «Nauka i obra-zovaniYE», 2012, No 1(142), pp. 199−206 (in Russ.).
  14. Anton I. – Turbine hidraulice, Ed. Facla, Timişoara, 1979
  15. Eyup Kocaka, Salih Karaaslana, Nuri Yucela , Furkan Arundasa , A numerical case study: Bovet approach to de-sign a Francis turbine runner , 8th International Conference on Sustainability in Energy and Buildings, Turin, ITALY, 11−13 September 2016.
  16. Smirnov I.N. Gidravlicheskiye turbiny i nasosy [Hydraulic turbines and pumps]. Moscow: Vysshaya shkola Publ., 1969. 400 p.
  17. Kovalev N.N. Gidroturbiny [Hydraulic turbines]. Leningrad: Mashinostroyeniye Publ., 1971. 584 p.
  18. Busyrev A.I., Topazh G.I. Lopastn·yye gidromashiny. Vybor osnovnykh parametrov i elementov pro-tochnoy chasti gidroturbin: uchebnoye posobiye [Blade hydraulic machines. The choice of the main pa-rameters and elements of the flow path of hydraulic turbines: a tutorial]. SPb, Izd-vo Politekhnicheskogo un-ta, 2007, 123 p.
  19. Morozov A.A., Anosov F.V., Gamus I.M. i dr. Turbinnoye oborudovaniye gidroelektrostantsiy [Turbine equipment for hydroelectric power plants]. Moscow: Gos·energoizdat Publ., 1958, 519 s.
  20. Krivchenko G.I. Gidravlicheskiye mashiny: Turbiny i nasosy [Hydraulic machines: Turbines and pumps]. Moscow: Energiya Publ., 1978. 320 p.
  21. OST 108.23.15-82. Turbines are hydraulic vertical rotary vane and radial-axial. Types, main parameters and dimensions.
  22. IEC 60193. Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines. Model acceptance tests.
  23. Obretenov V. R"kovodstvo za kursovo proyektirane na khidravlichni turbomashini [Guide for course work on design of hydraulic turbomachines], 1993, Sofiya .
  24. Bovet N., Contribution to the study of Francis-Turbines Runner-Design, Trans. of the ASME, Special issue, 1960.
  25. Borshchev I.O., Zharkovskiy A.A., Shkarbul' S.N. Calculation of potential flows by the finite element meth-od. Trudy konferentsii «Hydro-Turbo-89», ch.1, 1989, CHSSR

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Selection of the type of turbine and its parameters (RA 75)

Download (364KB)
3. Fig. 2. Screen for constructing the working area of a hydraulic turbine

Download (1MB)
4. Fig. 3. Typical dimensions of the impeller radial-axial hydraulic turbine

Download (131KB)
5. Fig. 4. Meridian contours of the HT impeller for different heads

Download (522KB)
6. Fig. 5. Streamlines and meridional velocities in impeller of HT RO-75 (full-scale size)

Download (452KB)
7. Fig. 6. Impeller blade of RO-75 hydraulic turbine in plan

Download (322KB)
8. Fig. 7. Results of design of RO-75 according to CAD of impeller of HT

Download (269KB)

Copyright (c) 2021 Zharkovskiy A.A., Shchur V.A., Omran M., Staseyev A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».