energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2026-68-2-175-188energy-2458Research ArticleГИДРОЭНЕРГЕТИКАHYDRAULIC POWER ENGINEERINGОценка влияния изменения давления в проточной части на биологическую безопасность осевой гидротурбины при увеличении толщины лопасти рабочего колесаAssessment of the Impact of Pressure Changes in the Flow Path on the Biological Safety of an Axial Hydraulic Turbine with Increasing Thickness of the Impeller BladeБирюлинМ. А.BiriulinM. A.

Москва

Moscow

ВолковА. В.VolkovA. V.

Москва

Moscow

ДружининА. А.DruzhininA. A.

Москва

Moscow

ШарийВ. Н.SharyV. N.

Москва

Moscow

КачановИ. В.KachanovI. V.

Адрес для переписки:Качанов Игорь Владимирович –Белорусский национальный технический университетпросп. Независимости, 65,220013, г. Минск, Республика Беларусь.Тел.: +375 17 249-56-77hidrokaf@bntu.by

Address for correspondence:Kachanov Igor V. –Belarusian National Technical University,65, Nezavisimosty Ave.,220013, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 249-56-77hidrokaf@bntu.by

hidrokaf@bntu.byБровкаГ. М.BrovkaG. M.

г. Минск

Minsk

Национальный исследовательский университет «МЭИ»РоссияNational Research University “Moscow Power Engineering Institute”Russian FederationБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202514042025682175188Copyright © Бирюлин М.А., Волков А.В., Дружинин А.А., Шарий В.Н., Качанов И.В., Бровка Г.М., 20252025Бирюлин М.А., Волков А.В., Дружинин А.А., Шарий В.Н., Качанов И.В., Бровка Г.М.Biriulin M.A., Volkov A.V., Druzhinin A.A., Shary V.N., Kachanov I.V., Brovka G.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2458

Рассматриваются вопросы повышения экологической безопасности энергообъектов, в частности малых ГЭС, которые позволяют эффективно использовать местные энергоресурсы, в том числе для удаленных и автономных потребителей. С увеличением числа малых гидроэлектростанций в мире возникает потребность в обеспечении их биологической безопасности с целью снижения влияния на биосреду водоемов. В настоящее время предложен ряд технических решений, в частности для рабочих колес гидротурбин, позволяющих снизить возможные негативные последствия для экологии. Однако данные предложения в основном направлены на борьбу с физическим воздействием при столкновении с лопастью, а вопросы, связанные с энергоэффективностью и другими видами негативных воздействий, например баротравмы, остаются открытыми. В данной статье рассматривается влияние толщины лопасти на эффективность и биологическую безопасность при воздействии перепада давления. Для исследования было создано и испытано рабочее колесо осевой гидротурбины. С помощью СFD и методики BioPA определены зависимости выживаемости от различных толщин лопасти, получена зависимость КПД гидротурбины от выживаемости, рассчитанной по перепаду давлений, при различных толщинах лопасти. Полученные результаты показывают важность создания биологически безопасных рабочих колес гидротурбин с учетом различных показателей качества для получения как эффективных, так и безопасных решений.

The issues of improving the environmental safety of energy facilities, in particular small hydroelectric power plants, which make it possible to effectively use local energy resources, including the ones for remote and autonomous consumers, are considered. With the increasing number of small hydroelectric power plants in the world, there is a need to ensure their biological safety in order to reduce the impact on the biological environment of reservoirs. Currently, a number of technical solutions are available, in particular for impellers of hydraulic turbines, which allow reducing possible negative consequences for the environment. However, these proposals are mainly aimed at combating the physical impact of a collision with the mouth, while matters related to energy efficiency and other types of negative impacts, such as barotrauma, remain open. The present article examines the effect of blade thickness on efficiency and biosafety when exposed to a pressure drop. The impeller of an axial hydraulic turbine was created and tested for the study. With the help of CFD and the BioPA technique, the dependences of survivability on different blade thicknesses were determined, and the dependence of the efficiency of a hydraulic turbine on survivability, calculated from the pressure drop, at different blade thicknesses was obtained. The obtained results show the importance of creating biologically safe impellers of hydraulic turbines, taking into account various quality indicators, in order to obtain both effective and safe solutions. 

гидравлические гидротурбиныбиологически безопасные гидротурбиныCFD-моделированиеперепады давленияhydroturbinesfish-friendly hydroturbinesCFD-simulationpressure differenceРезультаты получены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения Государственного задания № FSWF-2022-0008, вступившего в силу в соответствии с Соглашением № 075-03-2022-138/5 от 02.11.2022.ReferencesKoukouvinis, Ph. F. State of the Art in Designing Fish-Friendly Turbines: Concepts and Performance Indicators / Ph. F. Koukouvinis, J. Anagnostopoulos // Energies. 2023. Vol. 16, No 6. P. 2661. https://doi.org/10.3390/en16062661.Koukouvinis Ph. F., Anagnostopoulos J. (2023) State of the Art in Designing Fish-Friendly Turbines: Concepts and Performance Indicators. Energies. 16 (6), 2661. https://doi.org/10.3390/en16062661.Методы обеспечения биобезопасности элементов проточных частей гидротурбин / А. В. Волков, В. Ю. Ляпин, А. А. Дружинин [и др.] // Теплоэнергетика. 2023. № 11. С. 107–114. https://doi.org/10.56304/S0040363623110127.Volkov A. V., Lyapin V. Yu., Druzhinin A. A., Biryulin M. A., Tkach M., Kachanov I. V., Ernandes P. G. (2023) Methods for Rendering Biosafety of Elements in Flow Paths of Hydraulic Turbines. Thermal Engineering, (11), 932–938. https://doi.org/10.1134/S00406015 23110125.Improving Survival: Injury and Mortality of Fish Struck by Blades with Slanted, Blunt Leading Edges / S. V. Amaral, S. M. Watson, A. D. Schneider [et al.] // Ecohydraulics. 2020. Vol. 5. P. 175–183. https://doi.org/10.1080/24705357.2020.1768166.Amaral S. V., Watson S. M., Schneider A. D., Rackovan J., Baumgartner A. (2020). Improving Survival: Injury and Mortality of fish Struck by Blades with Slanted, Blunt Leading Edges. Journal of Ecohydraulics, 5 (2), 175–183. https://doi.org/10.1080/24705357.2020.1768166.Assessing Barotrauma in Neutrally and Negatively Buoyant Juvenile Salmonids Exposed to Simulated Hydro-Turbine Passage Using a Mobile Aquatic Barotrauma Laboratory / J. Stephenson, A. J. Gingerich, R. S. Brown [et al.] // Fish. Res. 2010. Vol. 106, No 3. P. 271–278. https://doi.org/10.1016/j.fishres.2010.08.006.Stephenson J. R., Gingerich A. J., Brown R. S., Pflugrath B. D., Deng Z., Carlson Th. J., Langeslay M. J., Ahmann M. L., Johnson R. L., Seaburg A. G. (2010) Assessing Barotrauma in Neutrally and Negatively Buoyant Juvenile Salmonids Exposed to Simulated Hydro-Turbine Passage Using a Mobile Aquatic Barotrauma Laboratory. Fisheries Research, 106 (3), 271–278. https://doi.org/10.1016/j.fishres.2010.08.006.Lampert, W. Experiments on the Resistance of Fish to Rapid Increase in Hydrostatic Pressure / W. Lampert // Journal of Fish Biology. 1976. Vol. 8, No 5. P. 381–383. https://doi.org/10.1111/j.1095-8649.1976.tb03966.x.Lampert W. (1976) Experiments on the Resistance of Fish to Rapid Increase in Hydrostatic Pressure. Journal of Fish Biolog, 8 (5), 381–383. https://doi.org/10.1111/j.1095-8649.1976. tb03966.x.Foye, R. E. Effects of Pressure on Survival of Six Species of Fish / R. E. Foye, M. Scott // Transactions of the American Fisheries Society. 1965. Vol. 94, No 1. P. 88–91. https://doi.org/10.1577/1548-8659(1965)94[88:eoposo]2.0.co;2.Foye R. E., Scott M. (1965) Effects of Pressure on Survival of Six Species of Fish. Transactions of the American Fisheries Society, 94 (1), 88–91. https://doi.org/10.1577/1548-8659 (1965)94[88:eoposo]2.0.co;2.Guo, T. Analysis of Channel Vortex and Cavitation Performance of the Francis Turbine under Partial Flow Conditions / T. Guo, J. Zhang, Z. Luo // Processes. 2021. Vol. 9, No 8. P. 1385. https://doi.org/10.3390/pr9081385.Guo T., Zhang J., Luo Z. (2021) Analysis of Channel Vortex and Cavitation Performance of the Francis Turbine under Partial Flow Conditions. Processes, 9 (8), 1385. https://doi.org/10.3390/pr9081385.Kumar, P. Study of Cavitation in Hydro Turbines – A Review / P. Kumar, R. P. Saini // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010. Vol. 14, No 1. P. 374–383. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.07.024.Kumar P., Saini R. P. (2010) Study of Cavitation in Hydro Turbines – A Review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (1), 374–383. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.07.024.Research on the Vortex Rope Control Techniques in Draft Tube of Francis Turbines / L. Wang, J. Cui, L. Shu [et al.] // Energies. 2022. Vol. 15, No 24. P. 9280. https://doi.org/10.3390/en15249280.Wang L., Cui J., Shu L., Jiang D., Hiang Ch., Li L., Zhou P. (2022) Research on the Vortex Rope Control Techniques in Draft Tube of Francis Turbines. Energies, 15 (24), 9280. https://doi.org/10.3390/en15249280.Prediction of Cavitation and Its Mitigation Techniques in Hydraulic Turbines – A Review / Brijkishore, R. Khare, V. Prasad // Ocean Engineering. 2021. Vol. 221. P. 108512. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.108512.Brijkishore, K. R., Prasad V. (2021) Prediction of Cavitation and Its Mitigation Techniques in Hydraulic Turbines–A Review. Ocean Engineering, Vol. 221, 108512. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2020.108512.Оптимизация работы водозаборов подземных вод с помощью двухколонных скважин / В. B. Ивашечкин, Ю. А. Медведева // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 5. С. 451–462. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-5-451-462.Ivashechkin V. V., Medvedeva J. A. (2022) Optimization of the Operation of Groundwater Intakes Using Two-Column Wells. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 65 (5), 451–462. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-5-451-462 (in Russian).Методика гидравлического расчета групповых скважинных водозаборов с парными сборными водоводами / В. В. Веременюк, В. В. Ивашечкин, В. И. Крицкая // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2024. Т 67, № 3. С. 268–280. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-3-268-280.Veremenyuk V. V., Ivashechkin V. V., Krytskaya V. I. (2024) Hydraulic Calculation Methodology for Group Well Water Intakes with Paired Prefabricated Water Pipelines. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 67 (3), 268–280. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-3-268-280 (in Russian).Odeh, M. M. A Computer Expert System for the Analysis and Design of Cavitating Control Valves: Ph.D. Dissertation / M. M. Odeh. Logan, Utah, 1988. 127 р.Odeh M. M. (1998) A Computer Expert System for the Analysis and Design of Cavitating Control [Dissertation]. Utah State University – Logan, Utah. 127.Tullis, J. P. Fundamentals of Cavitation / J. P. Tullis // Hydraulics of Pipelines – Pumps, Valves, Cavitation, Transients / J. P. Tullis. New York John Wiley & Sons, Inc., 1989. Chapter 5. P. 119–133.Tullis J. P. (1989) Fundamentals of Cavitation. Hydraulics of Pipelines – Pumps, Valves, Cavitation, Transients. New York, John Wiley & Sons, Inc., 119–132.Математические модели скважинных водозаборов с разветвленной и кольцевой схемами соединения сборных водоводов / В. B. Веременюк, В. В. Ивашечкин, В. В. Крицкая // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. Т. 63, № 6. С. 563–580. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6-563-580.Veremenyuk V. V., Ivashechkin V. V., Krytskaya V. I. (2020) The Borehole Water Intakes Mathematical Models with a Branched and Circular Connection Schemes for Prefabricated Water Conduits. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (6), 563–580. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-6563-580 (in Russian).Моделирование работы скважинного водозабора подземных вод с кольцевым сборным водоводом / В. B. Веременюк, В. В. Ивашечкин, В. И. Крицкая // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2023. Т. 66, № 3. С. 289–300. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-3-289-300.Veremenyuk V. V., Ivashechkin V. V., Krytskaya V. I. (2023) Simulation of the Operation ofa Borehole Groundwater Intake with an Annular Prefabricated Conduit. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 66 (3), 289–300. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2023-66-3-289-300 (in Russian).An Experimental Study of Cavitation Damage on Tissue of Carassius Auratus in a Jet Fish Pump / X. Long, M. Xu, J. Wang [et al.] // Ocean Engineering. 2019. Vol. 174. P. 43–50. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.01.052.Long X., Xu M., Wang J., Zou J., Ji B. (2019) An Experimental Study of Cavitation Damage on Tissue of Carassius Auratus in a Jet Fish Pump. Ocean Engineering, 174, 43–50. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.01.052.Development of Biological Criteria for the Design of Advanced Hydropower Turbines / Glenn F. Cada, Charles C. Coutant. Idaho: US Department of Energy, 1997. URL: https://www1.eere.energy.gov/wind/pdfs/doewater-10578.pdf.Čada G.F., Coutant Ch. C., Whitney R.R. (1997) Development of Biological Criteria for the Design of Advanced Hydropower Turbines. Idaho, US Department of Energy. Available at: https://www1.eere.energy.gov/wind/pdfs/doewater-10578.pdf.Quantifying Barotrauma Risk to Juvenile Fish During Hydro-Turbine Passage / M. C. Richmond, J. A. Serkowski, L. L. Ebner [et al.] // Fisheries Research. 2014. Vol. 154. P. 152–164. https://doi.org/10.1016/j.fishres.2014.01.007.Richmond M. C., Serkowski J. A., Ebner L. L., Sick M., Brown R. S., Carlson T. J. (2014) Quantifying Barotrauma Risk to Juvenile Fish during Hydro-Turbine Passage. Fisheries Research, 154, 152–164. https://doi.org/10.1016/j.fishres.2014.01.007.Mortality and Injury Assessment for Three Species of Fish Exposed to Simulated Turbine Blade Strike / M. Bevelhimer, B. M. Pracheil, A. M. Fortner [et al.] // Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 2019. Vol. 76, No 12. P. 152–164. http://doi.org/10.1139/cjfas-2018-0386.Bevelhimer M., Pracheil B. M., Fortner A. M., Saylor R., Deck K. L. (2019) Mortality and Injury Assessment for Three Species of Fish Exposed to Simulated Turbine Blade Strike. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 76 (12), 2350–2363. http://doi.org/10.1139/cjfas-2018-0386.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.