Ученые Казанского государственного аграрного университета выяснили, какая форма лопастей позволяет малой гидротурбине работать мощнее и экономичнее. Как рассказала пресс-служба вуза порталу Наука Mail, ответ оказался в авиации: лопасть, повторяющая форму крыла самолета, работает принципиально лучше плоской.
Микротурбины — небольшие устройства, которые преобразуют энергию потока жидкости в электричество или механическую работу и востребованы в сельском хозяйстве, например, в биогазовых установках, где они могут возвращать часть затраченной энергии в систему и снижать расходы на электричество. Повышение энергоэффективности актуально и для мобильной сельхозтехники с рабочим давлением 16−20 мегапаскалей.
Дамир Халиуллин, Ильнур Гайфуллин и Гастон Буржес при поддержке гранта (№ 142/2024-ПД от 16 декабря 2024 года) сравнили два варианта лопастей на базе турбины типа Каплана: с плоским сечением (простым и дешевым в изготовлении) и с крыловидным профилем. Расчеты проводили на трехмерной модели в ANSYS Fluent: вычислительная сетка включала почти 1,9 млн элементов, моделировались разные режимы работы.
В публикации «Вестника Казанского ГАУ» ученые рассказали, что при максимальной нагрузке (расход воды 0,15 м³/с, скорость вращения 1750 об/мин) турбина с крыловидными лопастями развила мощность 4,4 кВт при КПД 75%, а с плоскими — лишь 3,12 кВт при КПД 53%. При расходе 0,11 м³/с преимущество крыловидного профиля достигло 64%. Причина в том, что плоская лопасть создает больше турбулентности, рассеивающей энергию в тепло. У крыловидного профиля турбулентная кинетическая энергия ниже на 17,5%, а турбулентная вихревая диссипация — на 13,1%.
Однако у крыловидного профиля есть недостаток: при высоких скоростях возникает риск кавитации — образования пузырьков, разрушающих металл при схлопывании. У плоского профиля этот риск ниже. Авторы планируют бороться с кавитацией и провести натурные испытания для проверки расчетов.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что в России создали уникальную керамику для турбин.
