В Институте вычислительных технологий СО РАН завершен очередной этап исследований, связанных с разработкой вычислительных технологий для расчета течения и проектирования проточных трактов гидротурбин, сообщает издание «Наука в Сибири». Статья об этом вышла в журнале «Structural and Multidisciplinary Optimization».

Основной элемент гидротурбины — рабочее колесо, форма лопастей которого определяет коэффициент полезного действия турбины. Для крупных гидроэлектростанций проектируются уникальные рабочие колеса, максимально отвечающие напору и пропускной способности конкретного водохранилища. При проектировании этих элементов гидротурбин стараются обеспечить следующие характеристики: высокий КПД в широком диапазоне режимов работы, минимальные кавитационные явления (процессы, связанные с образованием и последующим схлопыванием в потоке жидкости кавитационных пузырьков), заданный запас прочности.

Таким образом задача проектирования рабочего колеса — многоцелевая, и ее решение вручную, методом проб и ошибок, чрезвычайно трудоемко и затратно. Поэтому в практике турбостроения все шире применяются математические методы оптимизации. С их помощью можно автоматизировать процесс проектирования формы проточной части. Разработкой методов, вычислительных алгоритмов и программного обеспечения для того, чтобы автоматизировать процесс проектирования, занимаются Институт вычислительных технологий совместно с Институтом математики им. С.Л. Соболева СО РАН.

«Наши исследования ведутся в кооперации с ведущим производителем гидротурбинного оборудования в России – ПАО «Силовые машины» (г. Санкт-Петербург), — рассказал участник авторского коллектива старший научный сотрудник ИВТ СО РАН кандидат физико-математических наук Денис Владимирович Чирков. — Изначально нам ставилась задача создать программный комплекс гидродинамических расчетов для оперативного расчета трехмерного течения в рабочем колесе и прогноза КПД турбины. Постепенно на базе этого комплекса была сформирована система автоматического проектирования, которая по заданным требованиям находит оптимальную форму рабочего колеса. Эта система внедрена в СКБ «Гидротурбомаш» ПАО «Силовые машины» и успешно используется при проектировании новых рабочих колес. В частности, с ее помощью были спроектированы такие элементы для Усть-Среднеканской и Красноярской ГЭС».

На сегодняшний момент сотрудники ИВТ СО РАН предложили и протестировали методику оптимизации, в которой помимо чисто гидродинамических критериев качества (таких как КПД, кавитационные характеристики) автоматически учитываются также прочность и вес рабочего колеса. Чем ниже вес, тем ниже металлоемкость рабочего колеса и стоимость его изготовления. С другой стороны, уменьшение веса может приводить к снижению прочностного запаса. Прочность и вес рабочего колеса в большой степени определяются распределением толщины лопасти, поэтому при проектировании важно уметь варьировать закон распределения толщин, желательно путем изменения небольшого числа параметров.

«Общее число геометрических параметров, задающих форму рабочего колеса, включая форму срединной поверхности лопасти и распределения толщины, порядка тридцати, — уточнил Денис Чирков. — Для поиска оптимального набора используется многоцелевой генетический алгоритм, моделирующий процесс естественного отбора в биологии. В ходе оптимизации рассматривается большое число различных вариантов геометрии рабочего колеса, для каждого варианта вычисляются его критерии качества — гидродинамические и прочностные характеристики. Затем отбираются лучшие варианты, на их основе строится новое множество вариантов геометрии и цикл повторяется».

Для демонстрации возможностей разработанной технологии специалисты провели серию оптимизационных расчетов радиально-осевого рабочего колеса гидротурбины в различных постановках. Полученные результаты показывают, что в новой постановке удается одновременно повысить КПД турбины на 0,8 % в широком диапазоне режимов и снизить его вес на 15 % без ухудшения прочностных характеристик лопасти. Здесь необходимо отметить, что современные рабочие колеса служат более 40 лет, их КПД составляет около 95 %, поэтому его повышение даже на десятые доли процента дает существенную прибыль генерирующей компании.