طراحي هيدروديناميكي و شبيه‌سازي عددي توربين محوري با ارتفاع بسيار كم (VLH)

Hydrodynamic Design and Numerical Simulation of a Very Low Head Axial Turbine

يكي از روش‌هاي جديد بهره‌برداري از انرژي آبي در رودخانه‌ها و كانال‌ها استفاده از نيروگاه‌هاي كوچك مجهز به توربين‌هاي محوري با ارتفاع بسيار كم مي‌باشد. در اين پژوهش روند طراحي و شبيه‌سازي عددي توربين با ارتفاع بسيار كم با توجه به اطلاعات نمونه ساخته‌شده، ارائه شده است. توربين صنعتي مورد مطالعه قادر به توليد توان450 كيلووات در ارتفاع 2.6 متر است. براي توليد هندسه توربين، كد محاسباتي با استفاده از تركيب نرم‌افزارهاي متلب و ايكس‌فويل توسعه داده شده‌ است. در روند حل، طراحي هيدروديناميكي اوليه با توجه به معادله اويلر براي چرخ‌هاي آبي انجام شده ‌است. در ادامه با توجه به روش كلاسيك طراحي توربوماشين‌هاي محوري و انتخاب هيدروفويل با ضريب برآي مناسب، اطلاعات نهايي هندسي براي مقاطع پره چرخ به‌دست آمده ‌است. پس از انتقال هندسه و ايجاد شبكه‌بندي ساختاريافته در توربوگريد براي گسسته‌سازي معادلات حاكم، شبيه‌سازي عددي با استفاده از نرم‌افزار سي‌اف‌ايكس انجام شده ‌است. نتايج شبيه‌سازي براي مجموعه توربين شامل چرخ و پره‌هاي راهنما در بازشدگي‌هاي مختلف پره‌هاي چرخ ارائه شده‌اند. همچنين نتايج مربوط به امكان وقوع كاويتاسيون در بازشدگي‌ها و دبي‌هاي مختلف بررسي شده است. نتايج به‌دست‌آمده نشان مي‌دهد كه استفاده از روش طراحي ارائه‌شده، راندمان هيدروليكي را براي نقطه كاري در بازشدگي مبناي طراحي پره‌هاي چرخ به ميزان حدود 89 درصد رسانده ‌است. از نظر كاويتاسيون، توربين طراحي‌شده تنها در دبي‌هاي بالاي خارج از نقطه طراحي و در بازشدگي‌هاي مثبت پره‌هاي چرخ دچار كاويتاسيون لبه ورودي مي‌شود و در نقطه طراحي مشكل كاويتاسيون وجود ندارد.

Small scale hydraulic power plants equipped with very low head (VLH) axial turbines can be considered as a novel approach to extract energy from rivers and canals. In this study, design process and numerical simulation of a prototype of a VLH turbine is done. The selected turbine generates 450 kW power at the head of 2.6 m. In order to generate the turbine geometry using MATLAB and X-Foil, a computational code has been developed. The design process to generate finalized geometrical data of the runner blades contains a primary hydrodynamic design using Euler equation in turbomachinery, a classical approach for axial turbomachinery design and selection of hydrofoils with appropriate lift coefficient. Using the geometry and structured mesh generated by Turbo Grid for discretization of governing equations, the numerical simulation was accomplished by ANSYS CFX. Simulation results of different opening angles of the runner blades are presented for the turbine system including runner and guide vanes. Also, cavitation possibility is studied in various opening angles and discharges. The results demonstrate that the hydraulic efficiency of the VLH turbine is approximately 89% where the opening angle of the runner blades is at the design point. Moreover, cavitation does not occur at the design point. However, at flow rates larger than the nominal flow rate, and at opening angles larger than the design point cavitation at the leading edge is possible.