Определение оптимальной геометрии лопастей и оценка эффективности гравитационно-вихревой микрогидроэлектростанции с коническим бассейном

Рост мирового спроса на энергию стимулирует стремительное развитие микрогидроэлектростанций низкого напора. В настоящее время в различных регионах мира активно ведутся научные исследования, направленные на повышение энергоэффективности гравитационно-вихревых микрогидроэлектростанций. В рамках данного исследования был проведён анализ влияния геометрии лопастей на энергетическую эффективность трёх моделей турбин, разработанных для гравитационно-вихревых микро-ГЭС. Геометрия водосборного бассейна и компонентов турбины была смоделирована с использованием программного обеспечения ANSYS 2022R1 (Fluent Flow). Численное моделирование выполнено методом вычислительной гидродинамики (CFD) с применением турбулентной модели SST k-ω. Согласно результатам CFD-анализа, три турбины различной формы (a, b и c) были протестированы в диапазоне частот вращения от 20 до 150 об/мин и наивысшая эффективность наблюдалась у турбины типа c). Для того чтобы обеспечить перпендикулярное попадание потока воды на лопасти в пределах бассейна, турбина c) была наклонена на 45° относительно вертикальной оси, что позволило увеличить её энергетическую эффективность до 85,5%. Для верификации результатов были изготовлены физические 3D-прототипы всех моделей и проведены натурные испытания. В результате оказалось, что турбина типа c), наклонённая на 45°, показала высокую эффективность и при полевых испытаниях – 79,6%.

1. . D. W. Kweku, O. Bismark, A. Maxwell, K. A. Desmond, K. B. Danso, E. A. Oti-Mensah, et al. Greenhouse effect: greenhouse gases and their impact on global warming // Journal of scientific research and reports. 2018; 17 (2018):1-9.

2. . A. Mikhaylov, N. Moiseev, K. Aleshin, T. Burkhardt, Global climate change and greenhouse effect // Entrepreneur. Sustain. 2020; 7:2897.

3. . H. Li, B. Xu, A. Riasi, P. Szulc, D. Chen, F. M’zoughi, et al., Performance evaluation in enabling safety for a hydropower generation system. Renew // Energy. 2019; 143:1628-1642.

4. . M. Bilgili, H. Bilirgen, A. Ozbek, F. Ekinci, T. Demirdelen. The role of hydropower installations for sustainable energy development in Turkey and the world. Renew // Energy. 2018; 126:755-764.

5. . Ember. Global Electricity Review 2024. E’lon qilingan: 2025-yil 7-aprel. https://www.reuters.com/sustainability/climate-energy/renewables-provided-record-32-global-electricity-2024-ember-says-2025-04-07.

6. . Ivanovski K., Hailemariam A., Smyth R. The effect of renewable and non-renewable energy consumption on economic growth: Non-parametric evidence // Journal of Cleaner Production. 2021; 286:124956.

7. . Kuriqi A., Pinheiro A. N., Sordo-Ward A., Bejarano M. D., Garrote L. Ecological impacts of run-of-river hydropower plants Current status and future prospects on the brink of energy transition // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2021; 142:110833.

8. . Yildiz V., Vrugt J. A. A toolbox for the optimal tal Modelling & Software. 2019; 111:134-152.

9. . Zheng G., Gu Z., Xu W., Lu B., Li Q., Tan Y., Wang C., Li L. Gravitational surface vortex formation and suppression control: A review from hydrodynamic characteristics // Processes. 2022; 11:42.

10. . Velásquez L., Posada A., Chica E. Surrogate modeling method for multi-objective optimization of the inlet channel and the basin of a gravitational water vortex hydraulic turbine // Applied Energy. 2023; 330:120357.

11. . Velásquez L., Romero-Menco F., Rubio-Clemente A., Posada A., Chica E. Numerical optimization and experimental validation of the runner of a gravitational water vortex hydraulic turbine with a spiral inlet channel and a conical basin. Renew // Energy. 2024; 220:119676.

12. . Betancour J., Romero-Menco F., Velásquez L., Rubio-Clemente A., Chica E. Design and optimization of a runner for a gravitational vortex turbine using the response surface methodology and experimental tests. Renew // Energy. 2023; 210:306-320.

13. . Power C., McNabola A., Coughlan P. A parametric experimental investigation of the operating conditions of gravitational vortex hydropower (GVHP) // Clean Energy Science and Technology. 2016; 4:112-119.

14. . Wichian P., Suntivarakorn R. The effects of turbine baffle plates on the efficiency of water free vortex turbines // Energy Procedia. 2016; 100:198-202. [CrossRef]

15. . Rahman M. M., Hong T. J., Tang R., Sung L., Tamiri F. B. M. Experimental study the effects of water pressure and turbine blade lengths and numbers on the model free vortex power generation system // International Journal of Current Trends in Science and Technology. 2016; 2:13-17.

16. . Kueh T. C, Beh S. L., Ooi Y. S, Rilling D. G. Experimental study to the influences of rotational speed and blade shape on water vortex turbine performance // Journal of Physics: Conference Series. 2017; 822:12066.

17. . Nishi Y, Inagaki T. Performance and flow field of a gravitation vortex type water turbine // Int. J. Rotat. Mach. 2017; 2017:2610508.

18. . Dhakal R., Bajracharya T. R., Shakya S. R., Kumal B., Khanal K., Williamson S. J., Gautam S., Ghale D. P. Computational and experimental investigation of runner for gravitational water vortex power plant. In Proceedings of the 2017 IEEE 6th International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA 2017), San Diego, CA, USA, 5-8 November 2018; pp. 365-373.

19. . Sritram P., Suntivarakorn R. The efficiency comparison of hydro turbines for micro power plant from free vortex // Energies. 2021; 14:7961.

20. . Bajracharya T. R., Ghimire R. M., Timilsina A. B. Design and performance analysis of water vortex power plant in context of Nepal. In Proceedings of the 20th International Seminar on Hydropower Plants, Vienna, Austria, 14-16 November 2018; pp. 1-20.

21. . Kim M. S., Edirisinghe D. S., Yang H. S., Gunawardane S. D. G. S. P., Lee Y. H. Effects of blade number and draft tube in gravitational water vortex power plant determined using computational fluid dynamics simulations // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021; 45:252-262.

22. . Dhakal S., Nakarmi S., Pun P., Thapa A. B., Bajracharya T. R. Development and testing of runner and conical basin for gravitational water vortex power plant // Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers. 2014; 10:140-148.

23. . Rahman M. M., Hong T. J., Tamiri F. M. Effects of inlet flow rate and penstock’s geometry on the performance of gravitational water vortex power plant. In: 8th international conference on industrial engineering and operations management, Bandung, Indonesia; 2018. Р. 2968e76. March 6-8.

24. . Hite J. E., Mih W. C. Velocity of air-core vortices at hydraulic intakes // Journal of Hydraulic Engineering. 1994;120(3):284e97.

25. . Ullah R., Cheema T. A., Saleem A. S., Ahmad S. M., Chattha J. A., Park C. W. Performance analysis of multi-stage gravitational water vortex turbine // Energy Conversion and Management. 2019;198.

26. . Ullah R., Cheema T. A., Saleem A. S., Ahmad S. M., Chattha J. A., Park C. W. Preliminary experimental study on multi-stage gravitational water vortex turbine in a conical basin // Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2020; 145:2516e29.

27. . Power C., McNabola A., Coughlan P. A parametric experimental investigation of the operating conditions of gravitational vortex hydropower (GVHP) // Journal of Clean Energy Technologies. 2016;4(2):112e9.

28. . Dhakal R., Bajracharya T. R., Shakya S. R., Kumal B., J. Williamson S., Khanal K., Gautam S., Ghale D. P. Computational and experimental investigation of runner for gravitational water vortex power plant. In: 6th international conference on renewable energy research and applications, San Diego, CA, USA; Nov. 5-8, 2017. Р. 365e73.

29. . Nishi Y., Inagaki T. Performance and flow field of a gravitation vortex type water turbine // International Journal of Rotating Machinery. 2017; 2017:1e11.

30. . B. R. Munson and D. F. Young, Fundamentals of Fluid Mechanics, Ames, lowa: John Wiley & Sons, 2006.

31. . Menter F. R. (1994). Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications // AIAA Journal. 1994; 32(8):1598-1605. https://doi.org/10.2514/3.12149

32. . A. B. Mamadjanov, J. X. Akmalov. The effect of conical basin geometry on gravitational water vortex power plant. 5th International conference on energetics civiland agricultural engineering, 13-14 may, 2024. Hybridconference. https://www.e3sconferences.org/articles/e3sconf/pdf/2024/93/e3sconf_iceste2024_01010.pdf.

33. . A. B. Mamadjanov, J. X. Akmalov. The influence of conical basin geometry on the efficiency of a gravity vortex microhydroelectric power plant // Journal of Uzbekhydroenergetics. – № 3, 202, pp. 41-50.

34. . J. X. Akmalov. International scientific and scientific-technical conference on the topic “Study of vortex formation classification in order to increase the energy efficiency of gravity vortex micro hydropower plants”, “Water-energy and food security in the context of global climate change and water scarcity” 25-26 February 2025, pp. 426-430.