Αριθμητική διερεύνηση της επίδρασης στη ροή της εσωτερικής διαμόρφωσης συστήματος έγχυσης υδροστροβίλου Pelton

Abstract

Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. και έχει ως στόχο την προσομοίωση και μελέτη της ροής στο τελικό τμήμα συστήματος διανομής υδροστροβίλου δράσης (Pelton-Turgo). Πιο συγκεκριμένα, μελετάται η επίδραση στη ροή του βάκτρου (που φέρει την ρυθμιστική βελόνη) και των πτερυγίων στήριξης αυτού, στο εσωτερικό του τελευταίου ευθύγραμμου τμήματος του αγωγού διανομής μετά από γωνία 90 μοιρών. Η διάταξη αυτή υπάρχει στους περισσότερους υδροστροβίλους δράσης μικρής ισχύος και η γεωμετρία που χρησιμοποιήθηκε είναι αυτή του ακροφυσίου του πειραματικού μοντέλου υδροστροβίλου Pelton που υπάρχει στο εργαστήριο Υδροδυναμικών Μηχανών της Σχολής. Η μοντελοποίηση και αριθμητική επίλυση της ροής σε αυτή την διάταξη έγινε με την χρήση των εμπορικού λογισμικού υπολογιστικής ρευστομηχανικής, της εταιρείας Ansys, Fluent. H επεξεργασία των αποτελεσμάτων έγινε με χρήση των λογισμικών Tecplot 360, Excel καθώς και υπολογιστικού προγράμματος σε Fortran. Οι υπολογισμοί έγιναν για την ονομαστική παροχή του υδροστροβίλου. Αρχικά, μελετήθηκε η ροή σε αγωγό με γωνία χωρίς εσωτερικές διαμορφώσεις ενώ κατόπιν εξετάστηκε η επίδραση του βάκτρου και των πτερυγίων σε αυτή. Στη συνέχεια, εξετάστηκε η επίδραση των πτερυγίων σε σχέση με το μήκος τους, την σχετική τους γωνία και το πλήθος τους. Μεταβάλλοντας αυτές τις παραμέτρους δημιουργήθηκαν διάφορες γεωμετρίες οι οποίες μελετήθηκαν και αξιολογήθηκαν με κριτήριο την μείωση των υδραυλικών απωλειών στον αγωγό, την ελαχιστοποίηση των δευτερευουσών στροβιλισμών που αναπτύσσονται κατά την εγκάρσια διατομή αλλά και την κατά το δυνατόν εξομάλυνση της ροής κατά μήκος της διάταξης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η παρουσία των πτερυγίων παίζει σημαντικό ρόλο στον περιορισμό των δευτερευουσών ροών. Στα καλύτερα από αυτά, που επετεύχθησαν σε μία από τις γεωμετρίες με τα 4 πτερύγια, οι εφαπτομενικές ταχύτητες μειώθηκαν στο μισό σε σχέση με την περίπτωση χωρίς πτερύγια.

The present diploma thesis was developed at the School of Mechanical Engineering of National Technical University of Athens and has as object of study the numerical simulation and flow analysis in the final section a Pelton turbine distributor. More precisely, the influence in the flow structure of the ribs, which support the needle of the nozzle and the driving rod, at the final straight section of the distributor after a 90o bend was examined. This kind of geometrical configuration is common in small scale impulse turbines with two nozzles. The geometry of the model is based on the experimental Pelton turbine model which is installed at the Laboratory of Hydrodynamic Machines of NTUA. The curvatures of the distributor result to an increase of tangential velocities and therefore adverse secondary flows which in turn, according to recent studies, affect the jet quality and lead to hydraulic efficiency losses. Several different rib configurations were examined by changing their count (2,3 and 4), length and angular position. It was found that the presence of ribs does play an important role in restricting secondary flows. The best results were achieved in one of the 4-rib cases where the tangential velocities were reduced by half compared to the no-ribs case. Numerical simulations were performed for the flow field using the commercial computational fluid dynamics Fluent software with water as the working fluid for the nominal operating point of the turbine. The post-processing of the results was done using Tecplot 360, Excel and a Fortran code.