В Институте вычислительных технологий СО РАН (ИВТ СО РАН) завершен очередной этап исследований, связанных с разработкой вычислительных технологий для расчета течения и проектирования проточных трактов гидротурбин.
Основной элемент гидротурбины – рабочее колесо, форма лопастей которого определяет коэффициент полезного действия (КПД) турбины. Для крупных гидроэлектростанций проектируются уникальные рабочие колеса, максимально отвечающие напору и пропускной способности данного водохранилища. При проектировании рабочих колес 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 задача, решение которой вручную, методом проб и ошибок, чрезвычайно трудоемко и затратно. Поэтому в практике турбостроения все шире применяются математические методы оптимизации, позволяющие автоматизировать процесс проектирования формы проточной части. Институт вычислительных технологий совместно с Институтом математики им. С.Л. Соболева СО РАН занимаются разработкой методов, вычислительных алгоритмов и программного обеспечения для автоматизации процесса проектирования.
«Наши исследования ведутся в кооперации с ведущим производителем гидротурбинного оборудования в России – ПАО "Силовые машины" (г. Санкт-Петербург), – рассказал участник авторского коллектива 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 создана 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 рабочие колеса для Усть-Среднеканской и Красноярской ГЭС».
Сегодня, на новом этапе исследований, сотрудниками ИВТ СО РАН предложена и протестирована методика 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 геометрических параметров 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 проведена серия 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.
Научная статья с результатами исследования под названием «Multi-objective shape optimization of a hydraulic turbine runner using efficiency, strength and weight criteria» вышла в февральском номере журнала «Structural and Multidisciplinary Optimization» издательства Springer, входящего в первый квартиль журналов по версии SJR и Web Of Science.
Рис.1. Расчетная область и сетка в проточном тракте гидротурбины для гидродинамического анализа.
Рис. 2. Оптимизация формы рабочего колеса по критериям максимизации КПД, прочности и снижения металлоемкости. Проекция найденного фронта Парето на плоскость КПД в режиме неполной и повышенной нагрузки. Показаны распределения напряжений на лопасти и сравнение функции распределения толщин исходного и оптимизированного рабочего колеса.
