Παραμετρικός σχεδιασμός και αριθμητική ανάλυση της ροής υδροστροβίλου τύπου Deriaz

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. και έχει ως θέμα την αριθμητική επίλυση και την διερεύνηση της ροής σε δρομέα υδροστροβίλου αντίδρασης τύπου Deriaz. Με την βοήθεια εμπορικού προγράμματος υπολογιστικής ρευστομηχανικής (CFD) έγινε δυνατή η χάραξη των χαρακτηριστικών καμπύλων λειτουργίας και του διαγράμματος του υδραυλικού βαθμού απόδοσης ενός συγκεκριμένου υδροστροβίλου Deriaz. Ξεκινώντας από την αριθμητική επίλυση του μεσημβρινού διδιάστατου καναλιού, χαράσσεται ο δρομέας με μία συγκεκριμένη μέθοδο παραμετρικού σχεδιασμού, που έχει αναπτυχθεί στο Εργαστήριο Υδροδυναμικών Μηχανών του Ε.Μ.Π. στα πλαίσια διδακτορικής διατριβής. Μετά την χάραξη του δρομέα επιλύεται η ροή στο τριδιάστατο πλέον μοντέλο, που είναι ένα περιοδικά συμμετρικό τμήμα του δρομέα. Στόχος είναι η διερεύνηση του βαθμού υδραυλικής απόδοσης για συγκεκριμένες γωνίες των ρυθμιστικών πτερυγίων και για συγκεκριμένες κλίσεις των πτερυγίων του δρομέα, διατηρώντας τις στροφές λειτουργίας της μηχανής σταθερές. Ακολουθεί έλεγχος για τη σπηλαίωση στις περιπτώσεις των μέγιστων βαθμών απόδοσης. Παρουσιάζονται και ελέγχονται τα πεδία ροής που δημιουργούνται στο δρομέα και τα πτερύγια. Κατασκευάζονται επίσης διαγράμματα πίεσης και πραγματοποιείται έλεγχος της κινητικής ενέργειας του ρευστού στην έξοδό του από τον δρομέα. Τέλος ελέγχεται η λειτουργία και η απόδοση του υδροστροβίλου μεταβάλλοντας τον αριθμό των πτερυγίων από έντεκα σε δεκατρία και εννέα. Η διαδικασία αυτή οδήγησε στην εύρεση των καταλληλότερων συνθηκών λειτουργίας του υδροστροβίλου. Διαπιστώθηκε ότι ο υδροστρόβιλος έχει καλή συμπεριφορά σε μεταβλητό φορτίο, λόγω της διπλής του ρύθμισης. Ο μέγιστος βαθμός απόδοσης φτάνει το 90% ενώ το εύρος παροχών λειτουργίας με καλή απόδοση (άνω του 85%) είναι αρκετά μεγάλο. Ο βέλτιστος αριθμός πτερυγίων του συγκεκριμένου δρομέα είναι έντεκα.

The present Diploma Thesis was carried out at the School of Mechanical Engineering of the National Technical University of Athens and its objectives are the parametric design and the numerical analysis of the flow in a Deriaz diagonal turbine. With the use of a commercial software package, the characteristic operation curves of the hydro turbine and the map of the hydraulic efficiency were obtained. Through the numerical analysis of the meridional two dimensional channel it was feasable to design the blades of the runner using a parametric design procedure developed previously at the Lab of Hydraulic Turbomachines, N.T.U.A. The flow in a three dimensional periodical symmetric part of the runner is simulated with different blade angle each time and different angle of adjustment of the guide vanes. The cavitation conditions are also tested and the flow in the blade runner is analyzed and discussed. Notifications were made as far as they concern the operation and hydraulic efficiency of the runner. The operation of the runner was also tested with thirteen and nine blades instead of eleven, on the point of the maximum hydraulic efficiency. The hydro turbine has determined to have highly contented operation for a various amount of water flow due to its double adjustment. The maximum hydraulic efficiency reaches 90% and has a large discharge range which the hydro turbine is working adequately (over 85%). The best number of blades for this particular runner is eleven.