В Институте вычислительных технологий СО РАН успешно завершен очередной этап комплексных исследований, направленных на создание и внедрение инновационных вычислительных методов для моделирования течений и конструирования проточных трактов гидротурбин. Работа специалистов института знаменует собой значительный шаг вперед в развитии технологий проектирования гидроэнергетического оборудования.
Роль рабочего колеса в эффективности гидротурбин
Ключевым компонентом любой гидротурбины служит рабочее колесо, от формы и геометрии лопастей которого напрямую зависит коэффициент полезного действия всей установки. Именно уникальная форма лопастей позволяет индивидуально адаптировать каждую турбину под конкретные условия давления и расхода воды на гидроэлектростанциях. При создании новых рабочих колес конструкторы добиваются максимизации КПД, устойчивой работы на разных режимах, снижения кавитационного воздействия и обеспечения требуемого объема прочности.
Проектирование подобных сложных элементов ранее выполнялось вручную, что отнимало много времени и ресурсов. Сегодня специалисты все активней используют математические методы оптимизации, позволяющие автоматизировать этот сложный и трудоемкий процесс. Современные вычислительные алгоритмы дают инженерам мощный инструмент для быстрой генерации и анализа оптимальных форм проточных частей рабочих колес, обеспечивая необходимый баланс между эффективностью и безопасностью.
Разработка инновационных решений совместно с ПАО Силовые машины
Важной особенностью деятельности института является тесное научно-техническое партнерство с ведущими предприятиями страны. Одним из стратегических партнеров стал ПАО "Силовые машины" — признанный лидер по производству гидротурбинного оборудования в России. В рамках сотрудничества ученые и инженеры создали уникальный программный комплекс гидродинамических расчетов, позволяющий моделировать трехмерные обтекания и точно оценивать КПД новых вариантов рабочих колес.
По словам кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника Дениса Владимировича Чиркова, на базе этих программных разработок была создана система автоматизированного проектирования. Она позволяет по заданным параметрам находить оптимальную форму колеса. Эта система уже успешно внедрена в проектные подразделения ПАО "Силовые машины" и активно используется при разработке новых моделей рабочих колес, в том числе для таких объектов, как Усть-Среднеканская ГЭС и Красноярская ГЭС.
Многоцелевой подход в оптимизации рабочих колес
Сотрудники Института вычислительных технологий СО РАН предложили и реализовали уникальную методику многоцелеовой оптимизации. Она позволяет учитывать не только классические параметры — КПД и устойчивость к кавитации, но и такие важные показатели как масса и прочность конструкции. Снижение массы рабочего колеса влечет за собой уменьшение расхода металла и, как итог, экономию на производстве, однако это не должно негативно сказываться на механической прочности. Именно поэтому особое внимание уделяется моделированию оптимального распределения толщин лопастей, что дает возможность за счет вариации незначительного количества параметров подобрать идеальное сочетание всех характеристик.
Денис Владимирович Чирков отмечает, что при создании цифровой модели современного рабочего колеса необходимо учитывать множество геометрических параметров, включая внутреннюю форму, кривизну срединной поверхности и закон изменения толщины по длине лопасти. Для поиска идеального решения применяется многоцелевой генетический алгоритм — инструмент, моделирующий процессы естественного отбора. Система анализирует широкий круг вариантов конструкции, вычисляя по каждому набору параметры качества, после чего отбирает наилучшие варианты и формирует на их основе новые поколения моделей, что позволяет быстро и эффективно находить оптимальные решения даже при сложных технических ограничениях.
Результаты внедрения: повышение КПД и снижение массы
Новая технология, внедренная специалистами Института вычислительных технологий СО РАН и ПАО "Силовые машины", позволила на практике провести серию оптимизационных расчетов для радиально-осевого рабочего колеса гидротурбины. Полученные данные свидетельствуют о том, что использование инновационной методики дает возможность одновременно увеличивать коэффициент полезного действия турбины на 0.8 процента по всему диапазону эксплуатационных режимов и уменьшать массу колеса на 15 процентов без потерь в прочности и надежности.
Такие, казалось бы, небольшие улучшения имеют существенное значение для экономики гидроэнергетики — учитывая, что современные турбины служат свыше 40 лет и имеют КПД порядка 95 процентов, даже незначительное повышение рабочего коэффициента и уменьшение массы конструкции приносят ощутимую экономическую выгоду для компаний-генераторов электроэнергии. Кроме того, снижение расхода металла означает большую экологическую эффективность и сокращение производственных затрат.
В практических примерах оптимизация позволила получить рабочие элементы, которые не только увеличили общую эффективность агрегатов на Усть-Среднеканской ГЭС и Красноярской ГЭС, но и повысили их эксплуатационную устойчивость во многих рабочих режимах. Такой результат стал возможен только благодаря глубокому симбиозу науки и промышленности — сотрудничеству исследовательских лабораторий с крупными производственными предприятиями.
Будущие перспективы и направления развития
Описанная методика открывает широкие перспективы для дальнейшего развития отечественного турбостроения. Уже сейчас специалисты работают над расширением базы алгоритмов, а также наращиванием функционала программных комплексов для проектирования гидротурбин с учетом еще большего числа критериев — вибрационной устойчивости, ресурса отдельных узлов и экологических характеристик.
Институт вычислительных технологий СО РАН продолжает активную работу совместно с ведущими производственными предприятиями и научными институтами по дальнейшему совершенствованию систем автоматизированного проектирования. В перспективе ожидается внедрение этих вычислительных платформ в проектирование новых генераций турбин для крупнейших отечественных и зарубежных гидроэлектростанций. Большой интерес вызывает возможность масштабирования и адаптации программных комплексов к задачам проектирования другого энергетического оборудования.
Признание и вклад в развитие энергетики
Проведенные исследования и реализованные инженерные решения специалистов института, а также конструкционный опыт и промышленные наработки ПАО "Силовые машины", становятся значимым вкладом в устойчивое развитие энергетического сектора России. Совместная работа научных сотрудников и инженеров способствует не только созданию конкурентоспособных технологий, но и укреплению позиций российских предприятий на международном энергетическом рынке.
Сегодня российские ученые демонстрируют высокую квалификацию и новаторский подход, внедряя на практике современные вычислительные методы и автоматизированные системы проектирования сложных технических объектов. В результате такого тесного взаимодействия генераторы и производители получают эффективные, экономичные и надежные решения для отечественных и зарубежных гидроэлектростанций.
Оптимизация рабочих колес, улучшение КПД и уменьшение массы механизмов, индивидуальный подход к проектированию под каждую станцию — все это результат передовых научных разработок Института вычислительных технологий СО РАН и ПАО "Силовые машины", дающий мощный импульс развитию гидроэнергетической отрасли страны.
На фото: Лопасти рабочего колеса. Фото: ПАО РусГидро.
Источник: scientificrussia.ru
