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

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.

Keywords

design automation / radial-axial hydraulic turbines / selection of basic parameters / python

References

[1] Lomakin A.A. Tsentrobezhn·yye i osev·yye nasosy [Centrifugal and axial pumps]. Leningrad: Mashi-nostroyeniye Publ., 1966. 364 p.

[2] Ломакин А.А. Центробежные и осевые насосы. Л.: Машиностроение, 1966. 364 с.

[3] Barlit V.V. Gidravlicheskiye turbiny [Hydraulic turbines]. Kiyev, «Vishcha shkolA» Publ., 1977, 360 p.

[4] Барлит В.В. Гидравлические турбины. Киев, «Вища школа», 1977, 360 с.

[5] 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.

[6] Грянко Л.П. Построение потенциального меридианного потока и гидродинамический расчет беско-нечно-тонкой лопасти радиально-осевой гидротурбины по методу Бауэрсфельда-Вознесенского. Л.: Изд-во ЛПИ им. М.И. Калинина, 1985. 32 с.

[7] 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.

[8] Топаж Г.И. Лопастные гидромашины и гидродинамические передачи. Основы рабочего процесса и расчета гидротурбин. СПб.: Изд-во Политехн ун-та, 2011. 154 с.

[9] 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.).

[10] Климович В.И. Расчет течений в проточной части насос-турбин на основе решения прямой осесим-метричной задачи теории гидромашин // Известия АН СССР. МЖГ. 1988. № 4.

[11] 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.).

[12] Федоров А.В., Струментова Н.С., Шумилин С.А. Автоматизированное проектирование лопастных систем рабочих колес насос-турбин на напоры 90-150 м // Труды ЦКТИ. 1988. Вып. 244. С. 28−35.

[13] CFTurbo

[14] CFTurbo.

[15] 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.

[16] Поспелов А.Ю. Методика прогнозирования энергетических характеристик гидротурбин на основе расчета трехмерного вязкого течения несжимаемой жидкости. Автореф. на соиск. уч. степ к.т.н., СПб, СПбГПУ, 2013, 16 с.

[17] 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.

[18] Черный С.Г., Чирков Д.В., Лапшин В.Н. Численное моделирование течений в турбомашинах. Ново-сибирск : Наука, 2006. 202 с.

[19] ANSYS CFX User's Guide, release 14.5. ANSYS, Inc., February 12, 2013

[20] ANSYS CFX User's Guide, release 14.5. ANSYS, Inc., February 12, 2013.

[21] 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.).

[22] Миронов К.А., Яковлева Л.К., Гулахмадов А.А. Совершенствование проточных частей радиально-осевых гидротурбин // Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Енергетичні та теплотехнічні процеси та устаткуван-ня. Х.: НТУ «ХПІ», 2013.

[23] 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.).

[24] Федоров А.В., Витензон М.С. Метод оптимизации решеток профилей гидромашин дли подсистемы САПР «Проточная часть». Труды ЦКТИ, 1987, вып. 232. С. 18–22.

[25] 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.).

[26] Голиков В.А., Жарковский А.А., Топаж Г.И. Программные комплексы для расчета течения и автома-тизированного проектирования лопастных гидромашин // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Серия «Наука и образование», 2012, № 1(142). С. 199−206.

[27] Anton I. – Turbine hidraulice, Ed. Facla, Timişoara, 1979

[28] 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.

[29] Eyup Kocaka, Salih Karaaslana, Nuri Yucela , Furkan Arundasa , A numerical case study: Bovet approach to design a Francis turbine runner , 8th International Conference on Sustainability in Energy and Buildings, Turin, ITALY, 11−13 September 2016.

[30] Smirnov I.N. Gidravlicheskiye turbiny i nasosy [Hydraulic turbines and pumps]. Moscow: Vysshaya shkola Publ., 1969. 400 p.

[31] Смирнов И.Н. Гидравлические турбины и насосы. М.: Высшая школа, 1969. 400 с.

[32] Kovalev N.N. Gidroturbiny [Hydraulic turbines]. Leningrad: Mashinostroyeniye Publ., 1971. 584 p.

[33] Ковалев Н.Н. Гидротурбины. Л.: Машиностроение, 1971. 584 с.

[34] 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.

[35] Бусырев А.И., Топаж Г.И. Лопастные гидромашины. Выбор основных параметров и элементов про-точной части гидротурбин: учебное пособие. СПб, Изд-во Политехнического ун-та, 2007, 123 с.

[36] 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.

[37] Морозов А.А., Аносов Ф.В., Гамус И.М. и др. Турбинное оборудование гидроэлектростанций. М.: Госэнергоиздат, 1958, 519 с.

[38] Krivchenko G.I. Gidravlicheskiye mashiny: Turbiny i nasosy [Hydraulic machines: Turbines and pumps]. Moscow: Energiya Publ., 1978. 320 p.

[39] Кривченко Г.И. Гидравлические машины: Турбины и насосы. М.: Энергия, 1978. 320 с.

[40] OST 108.23.15-82. Turbines are hydraulic vertical rotary vane and radial-axial. Types, main parameters and dimensions.

[41] ОСТ 108.23.15-82. Турбины гидравлические вертикальные поворотно-лопастные и радиально-осевые. Типы, основные параметры и размеры.

[42] IEC 60193. Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines. Model acceptance tests.

[43] Obretenov V. R"kovodstvo za kursovo proyektirane na khidravlichni turbomashini [Guide for course work on design of hydraulic turbomachines], 1993, Sofiya .

[44] Обретенов В. Ръководство за курсово проектиране на хидравлични турбомашини, 1993, София .

[45] Bovet N., Contribution to the study of Francis-Turbines Runner-Design, Trans. of the ASME, Special issue, 1960.

[46] 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

[47] Борщев И.О., Жарковский А.А., Шкарбуль С.Н. Расчет потенциальных течений методом конечных элементов // Труды конференции «Hydro-Turbo-89», ч.1, 1989, ЧССР.

RIGHTS & PERMISSIONS

Zharkovskiy A.A., Shchur V.A., Omran M., Staseyev A.A.