Теория и методы проектирования ортогональной турбины Спирин, Евгений Анатольевич

Введение к работе

Актуальность работы. В России области централизованного энергоснабжения составляют не более 31% территории, при этом продолжается рост электропотребления. Промышленное развитие Сибирского региона и Дальнего Востока, а также Кавказа, Урала и Кольского полуострова, увязано с концентрацией основного гидроэнергетического потенциала в данных регионах. Реализация энергетического потенциала многоводных и горных рек, а также набольших водотоков возможна при применение малых гидроэлектростанций. В 2005 - 2010 гг. специалисты НИЛ «Возобновляемые источники энергии» доказали целесообразность применение ортогональной турбины в составе свободнопоточной микроГЭС.

На сегодняшний день отсутствует обобщенная методика проектирования ортогональной турбины. Необходимость в создании такой методики обусловлена потребностью в применении ортогональных турбин в составе микроГЭС в широком диапазоне мощностей и условий ее эксплуатации.

Цель диссертационной работы - разработка теории и методов проектирования ортогональных турбин, обеспечивающие повышенные технические параметры и качество изделия на этапе проектирования.

Основные задачи исследования:

1. Создание модели рабочего процесса ортогональной турбины в свободном потоке, учитывающей геометрию лопасти и лопастной системы в целом, торможение потока, позволяющей обеспечить работоспособность турбины и ее элементов.

2. Исследование влияния параметров турбины на ее энергетические характеристики.

3. Разработка модели оптимизации параметров турбины по критерию максимальности коэффициента полезного действия с ограничениями по действующим нагрузкам и массогабаритным показателям, обеспечивающей повышение ее технических параметров.

4. Создание алгоритма проектирования ортогональной турбины, основанной на совокупности разработанных моделей.

5. Проверка корректности разработанных моделей и методики проектирования турбины методами численного моделирования в CAE-средах и натурными испытаниями опытных образцов микроГЭС различной мощности.

6. Разработать компонент «Проектирование ортогональных турбин» системы автоматизированного проектирования (САПР) свободнопоточных микроГЭС.

7. Проверка адекватности и эффективности созданного компонента САПР проектированием и испытаниями промышленного образца микроГЭС мощностью 5кВт.

Методы исследований:

6. 1. Теоретические основы вычислительной гидродинамики;

   2. Численные методы моделирования в CAE-средах;

   3. Метод граничных элементов;

   4. Методы теории алгоритмов;

   5. Методы численного решения задач многокритериальной оптимизации;

   6. Методы компьютерного мониторинга.

   Научная новизна:

   6. 6. 1. Разработана уточненная модель рабочего процесса ортогональной турбины, учитывающая: торможение потока в рабочей области турбины; влияние топологии турбины и лопасти, а также их геометрических характеристик.

         2. Динамическая модель ортогональной турбины, позволяющая моделировать ее переходные процессы.

         3. Исследовано влияние параметров турбины на ее энергетические характеристики.

         4. Разработан алгоритм оптимизации параметров ортогональной турбины, основанный на комбинации метода активных множеств и генетического алгоритма.

         5. Разработан программный модуль «Проектирование ортогональных турбин»

         6. Созданы новые конструкции ортогональной турбины, предназначенные для работы в свободном и напорном потоках.

         На защиту выносятся

         6. 6. 6. 1. Уточненная модель рабочего процесса ортогональной турбины, учитывающая: торможение потока в рабочей области турбины; влияние топологии турбины и лопасти, а также их геометрических характеристик.

                  2. Динамическая модель ортогональной турбины, позволяющая моделировать ее переходные процессы.

                  3. Алгоритм оптимизационного проектирования ортогональной турбины, учитывающий основные параметры рабочего процесса, обеспечивающий эффективность параметров турбины и ее работоспособность на этапе проектирования.

                  4. Методика проектирования ортогональной турбины, реализованная в виде компонента САПР микроГЭС.

                  Практическая значимость работы

                  6. 6. 6. 3. 1. Практическая значимость работы заключается в применении разработанных моделей и методики при проектировании ортогональных турбин. Созданная методика позволяет на этапе проектирования определять и оптимизировать параметры турбины, влияющие на ее качество.

                              2. Спроектированы, изготовлены и успешно прошли испытания опытные и опытно-промышленные образцы микроГЭС мощностью 1,3,10 кВт.

                              3. Стоят на опытной эксплуатации два образца установочной партии микроГЭС мощностью 1 кВт.

                              4. Получен сертификат соответствия микроГЭС требованиям технических условий к изделиям этой категории.

                              5. Спроектирован, изготовлен, находится в опытной эксплуатации промышленный образец микроГЭС мощностью 5 кВт.

                              Апробация работы

                              Основные положения диссертационной работы и ее отдельные разделы докладывались на XV Международной научной конференции «Решетневские чтения» 2011г., в 2011 году на Красноярской научно- практической конференции «Инновационный Красноярск 2020».

                              Материалы, полученные коллективом разработчиков микроГЭС были доложены в 2005, 2006 гг. на международных выставках в г.Харбин (КНР), и выставлялись в международном выставочном центре «Сибирь» 2006, 2009гг. в г.Красноярск..

                              Результаты и перспективы внедрения обсуждались на второй Киргизско-Российская межрегиональная конференция «Расширение межрегионального сотрудничества Киргизской Республики и Российской федерации как фактор обеспечения устойчивого развития экономики» 2012 г. Секция «Совместные российско-киргизские инфраструктурные и инвестиционные проекты в гидроэнергетической, нефтегазовой, транспортной и телекоммуникационной сферах: состояние и перспективы»

                              Личный вклад автора

                              Разработана математическая модель рабочего процесса ортогональной турбины, основанная на существующем представлении и формальном описании базовых процессов аэродинамики. Существенной доработкой существующей модели является включение в модель функций, описывающих зависимость аэродинамических характеристик профиля лопасти турбины, а также учет таких явлений как смещение центра давления вдоль хорды лопасти, и торможение потока в рабочей области турбины. Автором был выполнен ряд численных экспериментов, позволивших апробировать созданные аналитические модели и накопить множество экспериментальных данных, а также автор принимал участия в подготовке и проведении всех натурных испытаний свободнопоточных микроГЭС мощность от 1 до 10 кВт, и напорных микроГЭС мощностью до 10 кВт. Разработан алгоритм оптимизации параметров турбины. Оптимизация параметров лопастной системы и турбины решена при помощи адаптации существующих алгоритмов оптимизации, таких как метод активных множеств и генетическая оптимизация. Целевые функции оптимизации сформулированы с применением разработанной модели рабочего процесса турбины. Автором реализованы алгоритмы проектирования и оптимизации параметров турбины в виде программных модулей.

                              Структура и объем работы

                              Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и списка цитируемой литературы. Общий объем работы составляет 131 страниц машинописного текста; библиографический список состоит их 66 литературных источников.

                              Похожие диссертации на Теория и методы проектирования ортогональной турбины

                              

                              Развитие теории и методов проектирования машин с системами инфрачастотной виброзащитыГовердовский Владимир Николаевич

                              

                              Совершенствование теории и методов проектирования гидромеханических систем с насосно-аккумуляторным источником расхода постоянного давленияЗатолокин Сергей Александрович

                              

                              Теория и методы проектирования адаптивных гидростатических и аэростатических шпиндельных опор и направляющих металлорежущих станковШатохин, Станислав Николаевич

                              Теория и методы проектирования профильных неподвижных неразборных соединений с равноосным контуром с натягомРожкова Елена Александровна

                              Основы теории, методы расчета и проектирования муфт с упругими элементами из эластомерных материалов.Михайлов Юрий Клавдиевич

                              

                              Разработка теории, методов расчета и проектирования современных передач трением гибкой связью Мартынов Валентин Константинович

                              

                              Теория и методы расчета нагнетателей с вибрационным сдавливанием газа в тонких профилированных зазорахПашнина, Надежда Александровна

                              Разработка уточненного метода расчета цилиндрической эвольвентной передачи на прочность на основе решения пространственной задачи теории упругости Борисенков Валерий Андреевич

                              

                              Разработка новых методов проектирования и диагностики электромеханических приводов Андриенко Людмила Анатольевна

                              

                              Методы расчета и проектирования аксиально-поршневых гидромашин силовых регулируемых гидроприводовВоронов Сергей Андреевич