Παραμετρικός σχεδιασμός του σπειροειδούς κελύφους υδροστροβίλων αντίδρασης και διερεύνηση των χαρακτηριστικών της ροής σε αυτό με λογισμικό υπολογιστικής ρευστομηχανικής

Abstract

Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. και έχει ως στόχο να συμβάλει στη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του σπειροειδούς κελύφους υδροστροβίλων αντίδρασης. Για τη σχεδίαση των μοντέλων του σπειροειδούς κελύφους αναπτύχθηκε αλγόριθμος σε κώδικα Fortran ο οποίος για δεδομένο σημείο λειτουργίας (παροχή και ύψος) του υδροστροβίλου, δημιουργεί τον γεωμετρικό τόπο των σημείων που αποτελούν το σκελετό του. Η μοντελοποίηση της γεωμετρίας του σπειροειδούς κελύφους έγινε με γνώμονα να παραμετροποιηθούν πλήρως τα τριδιάστατα γεωμετρικά του χαρακτηριστικά έτσι ώστε να μπορεί να προκύπτει κάθε δυνατή γεωμετρία μεταβάλλοντας συγκεκριμένες μεταβλητές σχεδιασμού. Η τελική διαμόρφωση του μοντέλου του σπειροειδούς κελύφους προκύπτει από το σχεδιαστικό πρόγραμμα ANSYS Design Modeler του πακέτου εφαρμογών του εμπορικού λογισμικού ANSYS Workbench. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε αριθμητική επίλυση της ροής η οποία αναπτύσσεται σε σπειροειδές κέλυφος με βάση τις κύριες διαστάσεις του κελύφους του εργαστηριακού υδροστροβίλου Francis που είναι εγκατεστημένος στο εργαστήριο Υδροδυναμικών Μηχανών της Σχολής. Επιλέχθηκαν τρία διαφορετικά μοντέλα σπειροειδούς κελύφους που μπορούν να εφαρμοστούν στον εργαστηριακό υδροστρόβιλο τα οποία προέκυψαν μεταβάλλοντας για κάθε ένα από αυτά κάποιες από τις γεωμετρικές τους παραμέτρους. Η αριθμητική επίλυση της ροής στις γεωμετρίες αυτές πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του εμπορικού λογισμικού ANSYSFluent. Έτσι, έγινε δυνατή η ανάλυση και μελέτη των χαρακτηριστικών της ροής στο εσωτερικό του σπειροειδούς κελύφους, καθώς και η επίδραση των παραμέτρων σχεδιασμού του. Τα αποτελέσματα της αριθμητικής επίλυσης αξιολογήθηκαν με κριτήριο την μείωση των υδραυλικών απωλειών αλλά και την ομαλοποίηση της κατανομής των ταχυτήτων και των πιέσεων στο σπειροειδές κέλυφος και ειδικότερα στο τμήμα εξόδου της στεφάνης.Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι στο σπειροειδές κέλυφος με ελαφρώς μεγαλύτερες διαστάσεις και διαμόρφωση ομαλοποιημένων άκρων (Flaired Rims) στη στεφάνη, παρουσιάζει μια μικρή μείωση των ολικών απωλειών σε σχέση με αυτό που έχει ελαφρώς μικρότερες διαστάσεις και δεν διαθέτει στεφάνη με ομαλοποιημένα άκρα. Παρατηρείται επίσης ότι η διαμόρφωση της στεφάνης με ομαλοποιημένα άκρα είναι σημαντική για την εξομάλυνση της ροής κατά μήκος της διάταξης του σπειροειδούς κελύφους και τη δημιουργία ομοιόμορφης κατανομής της ταχύτητας εξόδου προς τα οδηγητικά και τα ρυθμιστικά πτερύγια.

The present diploma thesis was developed at the School of Mechanical Engineering of the National Technical University of Athens (NTUA) and aims to contribute to the optimization of the design of the spiral casing in reaction hydroturbines. For the design of the spiral casing models, an algorithm written in FORTRAN code was developed that creates the points which form the frame of the spiral casing in three-dimensional (Euclidean) space. In order to develop the geometry of the spiral casing with customizable characteristics all geometrical variables were imported in a designing model. In order to create various geometries by modifying certain geometry variables, the modeling of the spiral casing was developed so that every three dimensional geometrical characteristic is customizable. The final configuration of every spiral casing model is performed using the designing software ANSYS Design Modeler which is part of the commercial software package ANSYS Workbench. A numerical solution was conducted for the flow that is created in the spiral casing, with geometrical characteristic that match those of a Francis hydroturbine. The hydroturbine is located in the Laboratory of Hydraulis Turbomachines (LHT) of NTUA. Three different spiral casing models were formed by modifying some of their geometrical characteristics in order to fit the dimensions of the laboratory hydroturbine. The numerical solution of the flow in the specified geometries of the spiral casing models was conducted using the commercial software ANSYS Fluent. Thus it was made possible to analyze and study the flow characteristics in the spiral casing and the impact of its design parameters. The results from the numerical solution were evaluated in respect of the reduction of hydraulic losses and the smoothness of the velocity and pressure profiles within the spiral casing. Also emphasis of the flow characteristics is given at the outlet of the stay vanes. According to the results it is shown that the spiral casing that has significantly lager stay vanes with flared rim layout and overall size also has smaller total hydraulic losses compared to that without stay vanes with flared rim layout and smaller overall size. It is also pointed out that the development of stay vanes with flared rim layout contributes to the overall smoothing of the flow within the spiral casing. Furthermore, the rim layout also contributes to the more uniform profile of the flow velocity and pressure at the outlet of the stay and the guide vanes.