Вісник Національного технічного університету "ХПІ". Серія: "Гідравлічні машини та гідроагрегати"

ЦИФРОВА ТЕХНОЛОГІЯ РЕГУЛЮВАННЯ ЧАСТОТИ ОБЕРТАННЯ РОТОРА ГІДРОТУРБІНИ

Михайло Володимирович Черкашенко, Олександр Іванович Гасюк — пт, 13 бер 2026 00:00:00 +0200

Розглядаються сучасні підходи до цифрового регулювання частоти обертання ротора гідротурбіни, що є одним із ключових показників ефективності роботи гідроелектростанцій. Підтримання стабільної частоти обертання дозволяє забезпечити якість вироблюваної електроенергії, зменшити механічні навантаження на вузли турбіни та підвищити надійність роботи енергосистеми. Традиційні аналогові методи керування обмежені у швидкодії та точності, особливо при різких змінах навантаження або коливаннях напору води. Цифрові технології дозволяють реалізувати замкнуті контури керування, що забезпечують безперервний моніторинг стану ротора та адаптивну компенсацію зовнішніх впливів. У роботі проаналізовано сучасні алгоритми цифрового регулювання, зокрема ПІД-регулятори, нечіткі системи керування (fuzzy logic) та адаптивні методи контролю. Розглянуто математичні моделі динаміки ротора, що враховують моменти турбіни, крутний момент навантаження, інерційність та гідравлічні нелінійності. Проведено моделювання перехідних процесів у середовищі MATLAB/Simulink для оцінки ефективності регуляторів при змінних навантаженнях. Показано, що використання цифрових алгоритмів дозволяє знизити перерегулювання, скоротити час стабілізації та підвищити адаптивність системи до змін зовнішніх умов. Особливу увагу приділено інтеграції сенсорних модулів у систему керування, що забезпечує безперервний контроль кутової швидкості, положення напрямних апаратів та інших критичних параметрів. Використання сучасних датчиків дозволяє автоматично коригувати керуючий сигнал, компенсуючи вплив температурних коливань, гідравлічних втрат і нерівномірності потоку води. Це підвищує точність підтримки частоти обертання та стабільність роботи гідроагрегату навіть при значних змінах навантаження. Наукова цінність роботи полягає у систематизації
сучасних підходів до цифрового регулювання та обґрунтуванні переваг інтегрованих адаптивних систем. Практичне значення полягає у можливості застосування запропонованих методів на існуючих гідроелектростанціях для підвищення стабільності електропостачання, ефективності використання водних ресурсів та продовження ресурсу обладнання. Дослідження підтверджує, що цифрові технології є перспективним напрямом розвитку гідроенергетики та забезпечують інтеграцію турбін у сучасні «розумні» енергосистеми.

ОПТИМІЗАЦІЯ СПІРАЛЬНОГО ВІДВОДУ ВІДЦЕНТРОВОГО НАСОСА ЗАСОБАМИ ЧИСЕЛЬНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

пт, 13 бер 2026 00:00:00 +0200

Розглянуто питання проєктування та оптимізації спірального відводу відцентрового насоса із застосуванням інтегрованого підходу на основі програмного комплексу ANSYS Vista CPD та тривимірного CFD-моделювання. Показано, що геометрія спірального відводу істотно впливає на гідравлічні втрати, розподіл тиску та загальний коефіцієнт корисної дії гідромашини. Традиційні методи проєктування спіральних відводів ґрунтуються на спрощених припущеннях і не враховують складної тривимірної структури течії, що зумовлює необхідність
використання чисельних методів. У роботі реалізовано методику, яка передбачає первинне формування базової геометрії у Vista CPD, генерацію сітки в ANSYS TurboGrid та Mesh, а також розрахунок течії у ANSYS C FX із застосуванням моделей турбулентності SST. Для аналізу взаємодії між робочим колесом і спіральним відводом використано підходи Frozen Rotor та Stage. Показано, що метод Stage забезпечує згладжену картину течії і дозволяє визначити інтегральні характеристики (напір, ККД), тоді як Frozen Rotor є ефективним для виявлення локальних відривів і асиметрії потоку. На основі результатів чисельних досліджень виконано дві модифікації геометрії
спірального відводу шляхом варіювання радіусів поперечних перерізів. Це дало змогу зменшити зони відриву біля язика та вирівняти поле швидкостей. Порівняння отриманих результатів показало, що запропоновані модифікації дозволяють підвищити напір із 549 до 592,5 м та збільшити К КД з 0,865 до 0 ,893. Т аким чином, поєднання п араметричного проєктування у Vista C PD із CFD-оптимізацією у CFX є ефективним підходом для вдосконалення конструкції спіральних відводів відцентрових насосів і забезпечує підвищення їхньої енергоефективності.

ПОКРАЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ПІДВІДНОЇ ЧАСТИНИ ВИСОКОНАПІРНОЇ ГІДРОТУРБІНИ

пт, 13 бер 2026 00:00:00 +0200

В основі багатьох ГЕС використовується радіально-осьова гідротурбіна, відома своєю універсальністю та ефективністю перетворення гідравлічної енергії в механічну. Два невід'ємні компоненти цієї гідротурбіни це спіральна камера та напрямний апарат, які відіграють ключову роль в управлінні потоком води крізь гідротурбінну систему, забезпечуючи оптимальну продуктивність та виробництво енергії. Процес розробки нових проточних частин гідротурбін складається з кількох послідовних етапів, зокрема: вибір конструктивних параметрів
гідротурбіни д ля з аданих у мов Г ЕС т а п роєктування елементів проточних частин (як правило, розглядається кілька варіантів, що відрізняються методами розрахунку, геометричними, кінематичними та іншими параметрами); обчислювальне дослідження характеристик потоку, силових та крутних моментів, втрат енергії в елементах проточної частини та визначення найкращих варіантів; експериментальне дослідження модельних блоків гідротурбіни на енергокавітаційних стендах, причому розміри моделі, умови випробувань та параметри
стендів повинні відповідати вимогам міжнародного стандарту IEC. На основі результатів експериментальних та обчислювальних досліджень моделі розраховуються характеристики та видаються гарантії роботи повномасштабної гідротурбіни. У статті представлені деякі результати обчислювального дослідження просторового турбулентного потоку в'язкої рідини в проточній частині високонапірної турбіни РО500, виконаного за допомогою пакету прикладних програм CFX-TASCflow. Для покращення енергетичних характеристик на етапі попереднього
проєктування турбіни слід проводити числове моделювання потоку. Такий CFD-підхід зменшує витрати та час у порівнянні з експериментальним підходом і дає можливість покращити та проаналізувати характеристики гідротурбіни та її конструкцію до виготовлення моделі. Обчислювальний комплекс програм надає можливість побачити картину розподілу тиску, поле векторів швидкостей та рух частинок рідини для обґрунтування та аналізу результатів. Чисельне моделювання просторового потоку в проточній частині гідротурбіни було проведено для визначення змін енергетичних характеристик, тому була обрана k-ε модель турбулентності. В результаті
розрахунку було визначено розподіл швидкостей та тисків у різних елементах гідротурбіни для різних профілів напрямного апарату. Проведено аналіз втрат енергії в проточній частині високонапірної гідротурбіни: спіральна камера, статор з плоскими кільцями, напрямний апарат, робоче колесо та відсмоктувальна труба на оптимальний режим роботи гідротурбіни, а також проведено аналіз впливу відкриття напрямного апарату на зміну втрат енергії в різних елементах проточної частини. Також було розглянуто питання підвищення енергетичної ефективності проточних частин високонапірної гідротурбіни.

АНАЛІЗ ЗАСТОСУВАННЯ ОБ'ЄМНИХ ГІДРОМАШИН В ГІДРОМЕХАНІЧНИХ ТРАНСМІСІЯХ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ

пт, 13 бер 2026 00:00:00 +0200

Мета. Розробка рекомендацій щодо використання об'ємних насосів та гідромоторів для гідропередач безступеневих двопотокових гідромеханічних трансмісіях колісних та гусеничних мобільних машин. Методика досліджень. Аналіз сучасних конструкцій і технічних параметрів аксіальнопоршневих та радіальних гідромашин з шариками-поршнями на основі накопиченого закордонного та вітчизняного досвіду. Розглянуті дослідження радіальнопоршневої гідропередачі з шариками-поршнями моделі ГОП-900 і перспективи підвищення її технічного рівня, проаналізована робота двопотокової трансмісії залізничного мотовоза в повному діапазоні тягово-швидкісної характеристики. Результати. Українськими фахівцями накопичений достатній теоретичний і експериментальний досвід в проєктуванні гідромеханічних безступеневих передач як перспективний щодо поширеного розповсюдження таких передач в мобільних машинах. Визначено, що аксіальнопоршневі гідромашини дають можливість створювати гідромеханічні трансмісії потужністю до 350 кВт, а радіальнопоршневі з шариками-поршнями потужністю більше 500 кВт. Ці передачі мають також гарні компонувальні моноблокові можливості, що суттєво впливає на масово-габаритні показники гідромеханічних трансмісій. Приведені залежності для визначення витоків робочої рідини в зазорі робочої пари шарик-поршень в циліндрі та витрат на місцеве охолодження пар тертя. Матеріали статті щодо аналізу технічних характеристик гідромашин та гідроприводів можуть бути корисними для фахівців народного господарства, які займаються проєктуванням гідроприводів, нових насосів та гідромоторів, а також для студентів-магістрів, які вивчають дисципліну «Проєктування та випробування гідроприводів» за спеціальністю «Галузеве машинобудування».

ЧИСЕЛЬНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ПОТОКУ В ПІДВІДНІЙ ЧАСТИНІ РАДІАЛЬНО-ДІАГОНАЛЬНОЇ ГІДРОТУРБІНИ

Євгеній Сергійович Крупа, Роман Миколайович Демчук — пт, 13 бер 2026 00:00:00 +0200

Представлено результати чисельного дослідження гідродинамічних характеристик підвідної частини нової конструкції високонапірної радіально-діагональної гідротурбіни. Здійснено аналіз ключових вимог до проточної частини гідроагрегатів, призначених для роботи в широкому діапазоні високих напорів, де традиційні радіально-осьові турбіни мають суттєві експлуатаційні обмеження, зокрема вузький робочий діапазон та схильність до кавітаційних явищ. Основна увага приділена перевірці гідродинамічної досконалості підвідних елементів
інноваційної турбіни, конструкція якої включає дворядну лопатеву систему робочого колеса та проміжний направляючий апарат для підвищення ефективності та гнучкості регулювання. Для проведення дослідження було створено деталізовану тривимірну геометричну модель підвідної частини, що складається зі спіральної камери, статора та направляючого апарата, у середовищі CAD-програми SolidWorks. На основі створеної моделі виконано чисельний аналіз просторового потоку методами обчислювальної гідродинаміки у програмному комплексі Ansys CFX. Для замикання системи рівнянь Нав'є-Стокса, усереднених за Рейнольдсом, було використано модель турбулентності k-ε. Проаналізовано отримані поля розподілу швидкостей та тисків, а також візуалізовано лінії току для оцінки структури потоку. Результати моделювання продемонстрували, що конструкція забезпечує формування стабільного та рівномірного потоку на вході до робочого колеса, що є критично важливим для уникнення нерівномірного навантаження на лопаті. Сумарні гідравлічні втрати в підвідній частині становлять 4,7 %. Отримані дані підтверджують високу якість проєктування підвідних елементів та є необхідною основою для подальшого
комплексного аналізу всієї проточної частини, що дозволить отримати повну енергетичну характеристику та оцінити її кавітаційні показники. Це дослідження є важливим етапом у валідації нової конструкції, що сприятиме розробці більш надійних та адаптивних гідроенергетичних систем.

ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ФОНТАННОЇ БЕЗПЕКИ ПРИ БУРІННІ ТА КАПІТАЛЬНОМУ РЕМОНТІ СВЕРДЛОВИН, СХИЛЬНИХ ДО ПОГЛИНАННЯ

Данило Васильович Римчук, Ксенія Сергіївна Рєзва, Наталія Федорівна Мінчукова — пт, 13 бер 2026 00:00:00 +0200

Розглянуто одну з актуальних проблем нафтогазової галузі – небезпечність аварій, спричинених відкритими нафтовими та газовими фонтанами. Такі аварії призводять до значних економічних втрат, забруднення навколишнього середовища та створюють загрозу для безпеки виробництва. Тому вивчення причин їх виникнення та розробка ефективних заходів фонтанної безпеки є критично важливими для запобігання аваріям і мінімізації негативних наслідків. У ході дослідження розроблено методику визначення допустимої швидкості спуску бурильного інструменту у свердловину, схильну до поглинання, з розкритим продуктивним горизонтом. Проведено аналіз залежності гідродинамічного тиску під башмаком бурильної колони від динамічної в'язкості бурового розчину, довжини колони бурильних труб та швидкості їх руху. Встановлено взаємозв'язок між допустимою швидкістю спуску бурильного інструменту та величиною тиску поглинання, а також густини бурового розчину. У результаті визначено діапазон густини бурового розчину (1927,5–1941,4 кг/м³), за якого забезпечується безпечний спуск бурильного інструменту при дотриманні розрахункових швидкостей. Крім того, отримано значення коефіцієнта безпеки
для глибоких свердловин, схильних до поглинання, яке становить 1,04. Проведено дослідження максимально допустимої швидкості спуску бурильного інструменту при умові [Pв] = 0,95Pгр, що дозволяє підвищити надійність робіт та запобігти виникненню аварійних ситуацій.

ОПТИМІЗАЦІЯ ЧАСУ НАГНІТАННЯ В СИСТЕМАХ ГІДРОСТАТИЧНИХ ВИПРОБУВАНЬ НА ОСНОВІ МЕТОДУ GAIN SCHEDULING

пт, 13 бер 2026 00:00:00 +0200

Гідравлічні випробування високим тиском є важливим, фінальним етапом у виробництві труб нафтогазового сортаменту, що працюють під тиском. Результатом цих випробувань є підтвердження структурної цілісності матеріалу, що гарантує безпеку подальшої експлуатації. Успішне проведення випробування вимагає точного та контрольованого досягнення і утримання заданого випробувального тиску. Ключовою проблемою при керуванні гідравлічними мультиплікаторами, які використовуються для нагнітання рідини, є сильна нелінійність динаміки системи. Метою роботи є розробка та теоретичне обґрунтування адаптивної моделі керування на основі методу планування коефіцієнтів регулятора для гідравлічного мультиплікатора високого тиску. Для цього була сформульована повна фізико-математична модель системи, що враховує нелінійність та змінливість об'єму, розроблена стратегія адаптації коефіцієнтів в залежності від тиску, спрямована на мінімізацію часу нагнітання. Було підтверджено, що адаптивне керування здатне забезпечити плавний підйом тиску (нульове перерегулювання) та його точне утримання у допуску ±1 % протягом заданого часу, тим самим оптимізуючи технологічний процес.
Методологія планування коефіцієнтів (Gain Scheduling) є широко застосовуваним підходом в адаптивному керуванні нелінійними динамічними системами, чиї параметри повільно або передбачувано змінюються в залежності від робочої точки. В контексті гідравлічної системи, що випробовується, критична динамічна характеристика – еквівалентний модуль об'ємної пружності – виявляє сильну нелінійну залежність від тиску. Цей підхід долає обмеження лінійних ПІД-регуляторів шляхом синтезу сімейства лінійних регуляторів, кожен з яких оптимально налаштований для конкретної робочої точки, що відповідає певному діапазону тиску. Перемикання між цими регуляторами або інтерполяція між їхніми коефіцієнтами здійснюється плавно, забезпечуючи квазі-оптимальне керування в усьому діапазоні робочих режимів. На основі теоретичного моделювання динаміки системи керування тиском за допомогою адаптивної стратегії планування коефіцієнтів (Gain Scheduling) для гідравлічного випробування високим тиском, були отримані: оптимізація часу нагнітання; гарантія безпеки (нульове перерегулювання); компенсація нелінійності; універсальність до об'єму стискання; компенсація витоків.

ЧИСЕЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ГЕОМЕТРИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ РОБОЧОГО КОЛЕСА НАСОСУ НА ЕНЕРГЕТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Ірина Іванівна Тиньянова, Олександр Дмитрович Тиньянов — пт, 13 бер 2026 00:00:00 +0200

Запропоновано методику пошуку раціональних варіантів спроєктованого робочого колеса гідромашини, що базується на чисельному моделюванні впливу геометричних і режимних параметрів на її енергетичні характеристики. Пошук оптимальних рішень здійснюється шляхом багатоваріантного чисельного аналізу на основі математичного опису енергетичної взаємодії потоку з робочими органами гідромашини. Запропонована методика дозволяє прогнозувати та аналізувати кінематичні й енергетичні характеристики у заданому діапазоні режимів, зокрема визначати параметри потоку, кути входу та виходу, баланс енергетичних втрат і ККД. Отримані результати є
необхідними для оцінювання основних складових втрат енергії – тертя, циркуляційних та ударних, а також для обґрунтованого внесення змін до геометрії робочого колеса з метою підвищення енергетичних показників гідромашини. Математичний опис робочого процесу побудовано на засадах блочно-ієрархічного підходу та являє собою систему взаємопов'язаних моделей різного рівня деталізації. Загальна структура моделі визначається на основі основного рівняння гідромашини та рівняння енергетичного балансу. Для встановлення функціональних залежностей між основними параметрами гідромашини, геометричними та режимними параметрами у безрозмірній формі застосовано методи теорії розмірності. Запропонована методика дозволяє встановити основні закономірності зміни енергетичних характеристик залежно від режимних і геометричних параметрів, що підтверджується задовільною збіжністю результатів розрахунків та експериментальних даних у широкому діапазоні швидкохідності гідромашин.