OPTIMIZATION OF GEOMETRIC PARAMETERS OF MICROTURBINE BLADE PROFILE
DOI 10.12737/2073-0462-2025-20-3-59-67 УДК 004.94
Keywords:
energy supply, microturbine, modeling, rotor, software, airfoil profile, flat airfoilAbstract
The article presents a computational evaluation of the hydrodynamic behavior of a Kaplan-type hydraulic microturbine. The study is conducted using three-dimensional geometry performed in SolidWorks software. The aim is a comparatively analysis of aerodynamic characteristics of rotors with airfoil profile and flat profile in terms of their impact on the microturbine’s operating efficiency under various rotational modes. Two rotor types are evaluated: a rotor with a flat blade profile and a rotor with airfoil blade profile. The Reynolds-averaged Navier-Stokes method with the standard k-ε turbulence model is used to solve the fluid flow equations. The algorithm is stationary and is implemented using ANSYS Fluent software. Rotor’s rotation is modeled using the moving reference frame (MRF) method. Quantitative results demonstrate that at a maximum flow rate of 0.15 m³/s and a rotation speed of 1750 min-¹, the airfoil profile rotor produces 4.4 kW and achieves 75% efficiency, while the flat rotor under the same conditions produces only 3.12 kW and 53.1% efficiency. The results indicate that the airfoil rotor outperforms the flat rotor in all operating modes. At minimum flow rates, the turbine rotation speed is expected to be below 1500 min-1 and close to 1000 min-1. At maximum flow rates, the flat rotor speed is likely to be close to 1750 min-1, and may even be higher for the airfoil rotor. Energy dissipation analysis showed that the flat airfoil has higher turbulent kinetic energy and turbulent eddy dissipation values, indicating greater energy dissipation compared to the wing-shaped airfoil. These results suggest the feasibility of using airfoil blade profiles in hydraulic microturbines to improve their efficiency and reliability.
References
1. Исследование устойчивости оптимальных параметров прицепного опрыскивателя при изменении условий работы / А. А. Нурмиев, О. Н. Дидманидзе, Р. Н. Хафизов и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2024. Т. 19. № 1(73). С. 61-67. doi: 10.12737/2073-0462-2024-61-67.
2. Определение диссипативных потерь в гидравлическом приводе газораспределительного механизма двигателя внутреннего сгорания / А. В. Максимов, Ю. Х. Шогенов, Е. И. Байгильдеева и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2024. Т. 19. № 2(74). С. 75-82. doi: 10.12737/2073-0462-2024-75-82.
3. Репецкий О.В., Хоанг Д.К. Верификация разработанных математических моделей и программного обеспечения на примере радиальных рабочих колес турбомашин // Достижения науки и техники АПК. 2024. Т. 38. № 5. С. 55-61. doi: 10.53859/02352451_2024_38_5.
4. Теоретические предпосылки создания математической модели тягового КПД трактора / К. А. Хафизов, Р. Н. Хафизов, А. А. Нурмиев и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2019. Т. 14. № 3(54). С. 116-121. doi: 10.12737/article_5db9748fc053c2.28431294.
5. Исследование работы вихревого пневматического распылителя дезинфицирующих жидкостей / Б. Л. Иванов, Б. Г. Зиганшин, И. Х. Гайфуллин и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2023. Т. 18. № 2(70). С. 66-71. doi: 10.12737/2073-0462-2023-66-71.
6. Шишенков М.А. Чужинов Е.С. Онтологическое описание автоматизированных систем управления технологическим процессом // Автоматизация и информатизация ТЭК. 2025. № 1(618). С. 15-24.
7. Radial two-stage microturbine for pneumatic actuation / Y. P. Kuznetsov, V. L. Khimich, S. N. Khrunkov et al. // Russian Aeronautics. 2016. Vol. 59. No. 2. P. 283-286. doi: 10.3103/S1068799816020215.
8. Моделирование траектории движения семян в рабочей зоне пневмомеханической семенорушки / Э. Г. Нуруллин, Р. И. Ибятов, Д. Т. Халиуллин, и др. // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15. № 3. С. 98-100.
9. Способ повышения качества ремонта валов турбокомпрессоров электроконтактным напеканием / С. А. Барышников, А. М. Плаксин, А. В. Гриценко и др. // АПК России. 2022. Т. 29. № 2. С. 163-170. doi: 10.55934/10.55934/2587-8824-2022-29-2-163-170.
10. Исследование движения воздушно-зерновой смеси в рабочей зоне семенорушки аэромеханического типа / Д. Т. Халиуллин, А. В. Дмитриев, Р. Н. Хафизов и др. // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2019. Т. 12. № 4(63). С. 27-37. doi: 10.17238/issn2071-2243.2019.4.27.
11. Makarov E. E., Modelling of Stationary Flows of a Liquid-Gas System in an Inclined Channel Subject to Evaporation // Journal of Siberian Federal Universit. Mathematics and Physics. 2023. Vol. 16. No. 1. P. 110-120.
12. Васильев Б. Е. Определение расчетной долговечности деталей турбин с помощью пользовательской модели ползучести в конечно-элементном комплексе ANSYS // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. 2012. № 10(10). С. 166-174.
13. The Use of Carbon Dioxide as Working Fluid for a Single-Stage Mixed-Flow Turbine / Gong Bowen, H. Lun, Xu. Guisheng et al. // Thermal Engineering. 2025. Vol. 72, No. 3. P. 173-180. doi: 10.1134/S0040601524700800.
14. Samir K., Mohammad B. Studying the effect of the profile change of third stage movable pitch blade of low pressure steam turbine and its effect on the isentropic output with programs aided Computer // Аллея науки. 2020. Vol. 1. No. 8(47). P. 3-12.
15. Анализ структуры течения в модели микрогидротурбинного аппарата / С. И. Шторк, Д. А. Суслов, И. В. Литвинов и др. // Прикладная механика и техническая физика. 2020. Т. 61. № 5(363). С. 144-151.
16. Курбангалеев А. А., Тазюков Ф. Х., Аляев В. А. Результаты 3D численного эксперимента моделирования процесса смешения турбулентных потоков ньютоновских жидкостей в трубчатом канале с изменёнными коэффициентами математической модели // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 24. С. 78-79.
17. Чуданов В. В., Аксенова А. Е., Первичко В. А. Методы прямого численного моделирования турбулентности в задачах теплогидравлики ТВС // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2007. № 6. С. 47-58.
18. Оптимизация турбинного диффузора многоцелевой микротурбины / Л. А. Косач, А. С. Горновский, А. В. Костюков и др. // Известия МГТУ МАМИ. 2017. № 3(33). С. 21-27.
19. Шарфарец Б. П. О диссипации энергии в электроосмотическом процессе // Научное приборостроение. 2019. Т. 29. № 3. С. 30-40. doi: 10.18358/np-29-3-i3040.
1. Nurmiev AA, Didmanidze ON, Khafizov RN. [Study of the optimal parameters stability of a trailed sprayer under changing operating conditions]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2024; Vol.19. 1(73). 61-67 p. doi: 10.12737/2073-0462-2024-61-67.
2. Maksimov AV, Shogenov YuKh, Baygildeeva EI. [Determination of dissipative losses in the hydraulic drive of the valve timing mechanism of an internal combustion engine]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2024; Vol.19. 2(74). 75-82 p. doi: 10.12737/2073-0462-2024-75-82.
3. Repetskiy OV, Khoang DK. [Verification of developed mathematical models and software on the example of radial impellers of turbomachines]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2024; Vol.38. 5. 55-61 p. doi: 10.53859/02352451_2024_38_5.
4. Khafizov KA, Khafizov RN, Nurmiev AA. [Theoretical prerequisites for creating a mathematical model of the traction efficiency of a tractor]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; Vol.14. 3(54). 116-121 p. doi: 10.12737/article_5db9748fc053c2.28431294.
5. Ivanov BL, Ziganshin BG, Gayfullin IKh. [Study of the operation of a vortex pneumatic sprayer for disinfecting liquids]. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2023; Vol.18. 2(70). 66-71 p. doi: 10.12737/2073-0462-2023-66-71.
6. Shishenkov MA, Chuzhinov ES. [Ontological description of automated process control systems]. Avtomatizatsiya i informatizatsiya TEK. 2025; 1(618). 15-24 p.
7. Kuznetsov YP, Khimich VL, Khrunkov SN. Radial two-stage microturbine for pneumatic actuation. Russian Aeronautics. 2016; Vol.59. No.2. 283-286 p. doi: 10.3103/S1068799816020215.
8. Nurullin EG, Ibyatov RI, Khaliullin DT. [Modeling the trajectory of seed movement in the working area of a pneumatic seed huller]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2012; Vol.15. 3. 98-100 p.
9. Baryshnikov SA, Plaksin AM, Gritsenko AV. [Method for improving the quality of turbocharger shaft repair using electrocontact sintering]. APK Rossii. 2022; Vol.29. 2. 163-170 p. doi: 10.55934/10.55934/2587-8824-2022-29-2-163-170.
10. Khaliullin DT, Dmitriev AV, Khafizov RN. [Study of air-grain mixture movement in the working area of an aeromechanical seed huller]. Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2019; Vol.12. 4(63). 27-37 p. doi: 10.17238/issn2071-2243.2019.4.27.
11. Makarov EE. Modeling of stationary flows of a liquid-gas system in an inclined channel subject to evaporation. Journal of Siberian Federal University. Mathematics and Physics. 2023; Vol.16. No.1. 110-120 p.
12. Vasilev BE. [Determination of the calculated durability of turbine components using a user-defined creep model in the ANSYS finite element package]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. N.E. Baumana. 2012; 10(10). 166-174 p.
13. Gong Bowen, Lun H, Guisheng Xu. The use of carbon dioxide as working fluid for a single-stage mixed-flow turbine. Thermal Engineering. 2025; Vol.72. No.3. 173-180 p. doi: 10.1134/S0040601524700800.
14. Samir K, Mohammad B. Studying the effect of the profile change of third stage movable pitch blade of low pressure steam turbine and its effect on the isentropic output with programs aided Computer. Alleya nauki. 2020; Vol.1. No. 8(47). 3-12 p.
15. Shtork SI, Suslov DA, Litvinov IV. [Analysis of the flow structure in a microhydroturbine apparatus model]. Prikladnaya mekhanika i tekhnicheskaya fizika. 2020; Vol.61. 5(363). 144-151 p.
16. Kurbangaleev AA, Tazyukov FKh, Alyaev VA. [Results of a 3D numerical experiment for modeling the mixing process of turbulent flows of Newtonian fluids in a tubular channel with modified coefficients of the mathematical model]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2014; Vol.17. 24. 78-79 p.
17. Chudanov VV, Aksenova AE, Pervichko VA. [Methods of direct numerical modeling of turbulence in fuel assembly thermal hydraulics problems]. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Energetika. 2007; 6. 47-58 p.
18. Kosach LA, Gornovskiy AS, Kostyukov AV. [Optimization of the turbine diffuser of a multipurpose microturbine]. Izvestiya MGTU MAMI. 2017; 3(33). 21-27 p.
19. Sharfarets BP. [On energy dissipation in the electroosmotic process]. Nauchnoe priborostroenie. 2019; Vol.29. 3. 30-40 p. doi: 10.18358/np-29-3-i3040.
Downloads
Published
How to Cite
Issue
Section
Categories
License
Copyright (c) 2026 Vestnik of Kazan state agrarian university
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Метаданные научных статей, включая название, аннотацию, сведения об авторах, список литературы, идентификаторы и иные элементы библиографического описания для дальнейшего неограниченного использования, передаются в редакцию с правом их неограниченного использования на условиях открытой лицензии Creative Commons Attribution (CC BY).
