طراحي و بررسي پارامتري يك توربين آبي جريان متقاطع در نقطه طرح و خارج از آن با استفاده از شبيه سازي عددي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

توربين آبي جريان متقاطع به علت سادگي در طراحي، ساخت با هزينه كم و بازده نزديك به بازده حداكثري در خارج از نقطه طرح، انتخاب مناسبي براي محدوده هد متوسط و كم است. در اين پژوهش يك روش براي طراحي توربين آبي جريان متقاطع با هد و دبي مشخص بيان شد و بر اساس آن يك توربين با شرايط عملكرد هد 10 متر و دبي 041/0 مترمكعب بر ثانيه طراحي شد كه بازده آن برابر با 67 درصد بود. شبيه¬سازي عددي توربين موردنظر با نرم‌افزار Ansys Fluent به‌صورت پايا براي دو فاز آب‌وهوا به‌صورت دوبعدي صورت گرفت زيرا طبيعت جريان دوبعدي است. يكي از اهداف اصلي اين پژوهش بهينه‌كردن شكل هندسي توربين براي دستيابي به بيشترين بازده ممكن بود كه در همين راستا 6 پارامتر هندسي مختلف و مقدار سرعت دوراني موردمطالعه قرار گرفت. براي بررسي ميزان اثرگذاري هر پارامتر از غربالگري استفاده شد كه مشخص شد هر شش پارامتر در بازده توربين اثرگذار هستند و با استفاده از روش سطح پاسخ باكس بنكن، 49 هندسه مختلف براي تعيين اثر هر پارامتر و امكان بهينه‌كردن آن تعريف شد. پس از شبيه¬سازي 49 حالت مختلف، بهترين هندسه براي داشتن بيشترين بازده مشخص شد كه بر اساس آن مقدار بازده 16 درصد افزايش يافت و به مقدار 78 درصد رسيد. استفاده از روش سطح پاسخ براي بهينه‌سازي هندسه توربين براي اولين‌بار در اين پژوهش مورداستفاده قرار گرفت و نتيجه مطلوبي در پي داشت. هدف ديگر تحقيق حاضر، ارائه راهكار جهت دستيابي بالاترين بازدهي ممكن در خارج از نقطه طرح است. زماني كه دبي ورودي به توربين از مقدار طراحي آن كاهش يابد مقدار بازده نيز كاهش مي¬يابد. در مطالعات پيشين بيان شد با استفاده از لغزنده مي-توان بازده نزديك به بيشترين بازده در خارج از نقطه طرح داشت. لغزنده قطاعي از دايره است كه با چرخش آن اندازه كمان ورودي روتور و ارتفاع نازل را تغيير مي¬دهد. لغزنده قطعه جامدي است كه در برابر جريان آب قرار مي¬گيرد و ضخامت آن بايد در حدي باشد كه قابليت تحمل تنش¬هاي وارد بر آن را داشته باشد. در پژوهش¬هاي اخير تنها وجود لغزنده موردمطالعه قرار گرفت و اثر ضخامت آن بر عملكرد توربين بررسي نشده است. در اين پژوهش ضخامت لغزنده در توربين بهينه¬شده برابر با 3، 5 و 8 ميلي¬متر و در حالت¬هايي كه نسبت كمان ورودي به كمان ورودي بهينه شده برابر با 25/0 ، 5/0 و 75/0 باشد، موردمطالعه قرار گرفت و مشخص شد با استفاده از لغزنده با ضخامت 2 ميلي¬متر و در صورت ورود حدودا 25 درصد دبي طراحي، همچنان توربين با بازده حداكثري خود كار مي¬كند. با افزايش ضخامت لغزنده مقدار بازده توربين به مقدار كمي كاهش مي¬يابد ولي با استفاده از ضخامت 8 ميلي¬متر در موقعيتي كه نسبت كمان ورودي به كمان ورودي بهينه شده برابر با 25/0 است، مقدار بازده تقريبا برابر با صفر شده است كه دليل آن بسته‌شدن مجراي ورودي آب به علت ضخامت بالاي لغزنده است؛ بنابراين مشخص شد مناسب¬ترين ضخامت لغزنده، كمترين ضخامتي است كه تحمل تنش¬هاي وارد شده بر آن را داشته باشد. در پژوهش¬هاي اخير تنها اثر استفاده از لغزنده در شبيه¬سازي موردمطالعه قرار گرفته و مكانيزم حركتي و نحوه ساخت آن بررسي نشده است. در پژوهش حاضر دو مكانيزم حركتي لغزنده طراحي و با نرم‌افزار ساليدورك مدل‌سازي شد. در طرح اول براي چرخاندن لغزنده از دو دستگيره متصل به لغزنده در دو طرف توربين استفاده شد كه با تغيير دبي ورودي، اپراتور به‌وسيله دو دستگيره، لغزنده را مي¬چرخاند و در موقعيت جديد قرار مي¬دهد. طرح دوم، طرح جامع و پيچيده¬تري است كه در آن چرخش با استفاده از چرخ¬دنده به لغزنده انتقال مي¬يابد و اپراتور به‌صورت مستقيم با بدنه توربين در تماس نيست كه از نظر فني و ايمني شرايط بسيار مناسب¬تري دارد. در انتها يك نمونه از توربين طراحي شده همراه با لغزنده و مكانيزم حركتي طرح اول ساخته شد و تجهيزات موردنياز براي تست آن بررسي شد. پمپ آب به ورودي توربين ساخته شده متصل شد و جريان سيال پس از عبور از نازل به پره¬هاي توربين برخورد كرد و باعث چرخش شافت متصل به روتور شد. با استفاده از كوپلينگ، چرخش محور روتور به محور ژنراتور منتقل يافت و توليد انرژي الكتريكي را در پي داشت.

212310

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان

مهدي دادخواه

مهدي نيلي احمدآبادي، احمدرضا پيشه ور

ابراهيم شيراني، محمدرضا توكلي