В Институте вычислительных технологий СО РАН завершен очередной этап исследований, связанных с разработкой вычислительных технологий для расчета течения и проектирования проточных трактов гидротурбин. 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.

Пресс-служба ИВТ СО РАН

Похожие новости

  • 02/07/2018

    Проект Сибирского суперкомпьютерного центра представили на президиуме РАН

    ​В Москве обсудили развитие суперкомпьютерных цифровых технологий в Российской Федерации. Научный руководитель Сибирского суперкомпьютерного центра (ССКЦ), директор Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН СО РАН член-корреспондент РАН Сергей Игоревич Кабанихин на заседании президиума РАН отметил, что сегодня суперкомпьютеры представляют собой технологическое оружие.
    396
  • 10/05/2018

    Красноярские ученые смоделировали безопасный выход людей с крупных спортивных объектов

    Ученые Федерального исследовательского центра Красноярский научный центр СО РАН (ФИЦ КНЦ СО РАН) разработали сценарии штатного и аварийного выхода людей со стадионов Чемпионата мира по футболу 2018 и объектов Универсиады 2019.
    452
  • 10/01/2018

    ​В НГУ открыта регистрация в CompTech@Nsk Winter School

    ​В НГУ открыта регистрация в школу компьютерных технологий CompTech@Nsk Winter School. Студентов ждут лекции от известных ИТ-компаний и возможность создать собственный проект под руководством специалистов.
    545
  • 27/07/2018

    Чем удивит участников «Технопром-2018»?

    ​Через месяц в Новосибирске стартует VI международный форум «Технопром». Одна из масштабных дискуссионных площадок региона за последнее время успела сменить куратора, оператора и даже даты проведения. Вместе с тем организаторы уверяют, что подходы к подготовке форума остались прежними, разве что работа, по понятным причинам, ведется в сумасшедшем ритме — опоздать с разработкой проекта «Академгородок 2.
    325
  • 14/09/2017

    Разработка новосибирских ученых получила премию на крупнейшем европейском конгрессе по алгоритмам

    ​На 13-й международной конференции по алгоритмам и экспериментам для беспроводных сенсорных сетей ALGOSENSORS в Вене (Австрия) в двух статьях были представлены разработки лаборатории алгоритмики ММФ НГУ, сделанные совместно с коллегами из Берлина и Института математики им.
    944
  • 05/09/2017

    Новосибирские ученые создают математические модели для наноразмерной электроники

    В Институте вычислительных технологий СО РАН разрабатывают математические модели и вычислительные методы, которые позволят рассчитать и оптимизировать технологический процесс 3D-печати наноразмерной электроники.
    532
  • 20/07/2018

    В СО РАН создадут единую информационную систему больших данных

    ​Создание единой системы передачи, хранения и обработки больших объемов данных (Big Data) в Сибирском отделении РАН позволит исследователям организовать полный цикл работы с данными, какими бы большими они ни были.
    222
  • 01/02/2016

    Резиденты Академпарка создадут комплекс для анализа телекоммуникационных данных

    ​Резиденты Новосибирского Академпарка "Экспасофт" и "Сигнатек" совместно с Новосибирским государственным университетом разрабатывают аналитический комплекс потоковых данных в телекоммуникационных сетях.
    1484
  • 04/09/2018

    На «Технопроме-2018» заключено 49 соглашений мирового и федерального уровня

    ​За четыре дня мероприятие посетили 7 840 человек из 19 стран. VI Международный форум и выставка технологического развития «Технопром-2018» завершили работу в «Новосибирск Экспоцентр». За 4 дня «Технопром-2018» посетили 7 840 человек из 19 стран.
    239
  • 02/02/2018

    Ученые ИВТ СО РАН занимаются математическим моделированием в медицине

    ​Клеточные белки и их сети играют важную роль в нормальном функционировании организма. Биологи сравнивают каждую такую сеть с оркестром, а дирижером (с относительно недавнего времени) считают микроРНК — множество малых некодирующих молекул РНК, которые регулируют почти все процессы и химические реакции в организме человека.
    476