Оценка влияния изменения давления в проточной части на биологическую безопасность осевой гидротурбины при увеличении толщины лопасти рабочего колеса

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.

1. Koukouvinis, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.