ارزیابی طراحی توربینهای آبی با استفاده از دینامیک سیالات

فعالیت ها و پروژه های توزیع برق مشهد درسطح کشورقابل تعمیم است
آذر ۱۹, ۱۳۹۷
تاکید بربالا بردن ضریب ایمنی خطوط انتقال فشار قوی
آذر ۲۰, ۱۳۹۷

ارزیابی طراحی توربینهای آبی با استفاده از دینامیک سیالات

ارزیابی طراحی توربین­های آبی با استفاده از دینامیک­ سیالات محاسباتی

چکیده

تجزیه و تحلیل CFD به طور گسترده­ای در Jyoti برای توسعه توربین­های آبی استفاده می­شود. این مقاله شامل تجزیه و تحلیل CFD توربین فرانسیس (Ns = 165) و اعتبارسنجی نتایج CFD با نتیجه آزمایش است. تجزیه و تحلیل CFD سیستم کامل:پوشش مارپیچ + پره ثابت(ایستاده) + رانر+ لوله مکش+پره اصلی و راهنما در BEP و همچنین در قسمت بار و عملکرد همراه با تلفات  تجهیزات مختلف پیش­بینی می­شود. نتایج تجزیه و تحلیل پیش بینی شده از CFD با نتایج تجربی مقایسه شده که البته این قیاس توافق خوبی را نشان می­دهند. این مورد دستورالعملی برای پروژه توسعه جدید آینده ما می­شود.لغات کلیدی: توربین فرانسیس، تجزیه و تحلیل CFD توربین، BEP (نقطه­ی کارکرد با بهترین کارامدی)مقدمهJyoti تامین تجهیزات برق آبی کوچک از ۳ دسامبر گذشته به بازار هند و بازار­های خارجی را شروع کرد.چهار نوع اساسی توربین Francis، Kaplan، Pelton و Turgo وجود دارد که توسط Jyoti عرضه می­شود. دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) آخرین وضعیت ابزار تکنیکی که توسط طراح برای ارزیابی طراحی هیدرولیکی توربین استفاده می­شود، است. این مقاله ارزیابی ما از طراحی توربین فرانسیس توسط CFD را توصیف می­کند. این موضوع با مشخصات طراحی، مدل سازی، تولید مش، طرح مسئله و ارزیابی عملکرد با CFD شروع می­شود و ادامه می­یابد. همچنین در پایان، نتایج تجزیه و تحلیل CFD با نتایج تجربی مقایسه می­شود.مشخصات توربین فرانسیسطراحی توربین Francis در محدوده ۵۰ تا ۱۴۲ متر و محدوده تخلیه ۱ تا ۷ متر مکعب بر ثانیه استفاده می­شود. این توربین در هیچ یک از مکان­ها نصب نمی­شود و خروجی رضایت بخشی نیز می­دهد. این یکی از طرح­های موفق ماست، بنابراین تصمیم گرفتیم با استفاده از CFD  به مطالعه و تحلیل آن بپردازیم. چهار گام پایه مربوط به تجزیه و تحلیل CFD وجود دارد. به عنوان مثال مدل سازی هندسی، تولید مش، تعریف مسئله و راه حل و پردازش پسین نتیجه.مدلسازی هندسیتوربین فرانسیس شامل چهار جزء اساسی می­باشد که عبارتند از: محفظه­ی اسپیرال با پره ­های ایستاده، پره های راهنما، رانر و لوله مکش. برای تجزیه و تحلیل CFD، ما نیاز به ایجاد مدل جریان عبوری آب از هر جزء را دایم. شکل ۱ مدل جریان عبوری آب از تمامی المان­ها را نشان می­دهد. تمام قطعات با استفاده از نرم­افزار تجاری ساخته می­شوند. مونتاژ تمام اجزاء نیز در شکل ۱ نشان داده شده­است.تولید مشمش با استفاده از نرم­افزار تجاری meshing تولید می­شود. تولید مش بسیار مهم است زیرا کیفیت نتیجه CFD به آن بستگی دارد. ما از عناصر تترا و بلور استفاده کرده­ایم. نسبت ابعاد مش­بندی، در یک محدود­ه مشخص می­باشد. کیفیت کلی شبکه در هر صنعت استاندارد است و نتایج، مستقل از آن است. شکل ۲٫A نشان دهنده­ی تولید مش در هر اجزا می­باشد. علاوه بر این، آزمون حساسیت شبکه نیز انجام شده­است و نتایج CFD مستقل از مش می­باشد. جزئیات هر گره در هر جزء در جدول ۱ آمده­است.

 

شکل ۱ جزای توربین فرانسیس

شکل ۲٫A مش­ بندی اجزای توربین فرانسیس

 

شماره­ی گره­ها

اجزاء

شماره

۹۹۹۵۶۶

پوشش مارپیچ (اسپیرال)

۱

۹۶۳۹۰۰

پره اصلی (راهنما)

۲

۱۲۲۸۱۲۴

رانر

۳

۲۷۷۹۳۱

لوله مکش

۴

جدول ۱ المان­های تولیدشده در هر جزء

در رانر و لوله مکش، جداسازی جریان اتفاق می­افتد. ما از منشور برای تفکیک جریان لایه­ مرزی در مرز دیواری استفاده کرده­ایم. برای دانستن اینکه ما لایه مرزی را به طور موثری در نظر گرفتیم، مقدار Y + در منطقه جداسازی جریان باید کمتر از ۲۰ باشد. با استفاده از موضوع این ما می­توانیم مقدار صحیح تلفات سر قطعه را پیش بینی کنیم. شکل ۲٫B رسم Y + بر روی تیغه­ی رانر و لوله مکش و ارزش آن در محدوده­ی مشخص­شده را نشان می­دهد.

شکل ۲٫B رسم برای رانر و لوله مکش

طرح مسئله

تجزیه و تحلیل CFD تک فاز ثابت (فقط آب) برای توربین فرانسیس انجام شد. تمام اجزای مورد استفاده در تجزیه و تحلیل و بررسی کامل سیستم CFD در نظر گرفته شد. در فشار اتمسفری خروجی و در ورودی پوشش مارپیچ (اسپیرال) کل تخلیه مشخص شده به عنوان شرایط مرزی همانطور که در شکل ۳ نشان داده­شده، مشخص شده­است. سطح جامد تمام اجزا به عنوان یک مرز دیواری بدون شرایط لغزش در نظر گرفته شده­است. پوشش اسپیرال، پره راهنمای و لوله مکش به عنوان محدوده ثابت در نظر گرفته شده، زیرا آنها اجزای ثابت و رانر به عنوان دامنه­­ی چرخشی و با مدل چندگانه مرجع (MFR) حل شده است. از دامنه­ی رابط برای اتصال تمام اجزا به یکدیگر استفاده شده­است. از رابط روتور منجمد برای اتصال رانر با پره راهنما و لوله مکشا ستفاده می­شود. انتقال فشار برش (SST) به عنوان مدل آشفتگی با وضوح بالا به عنوان طرح پیشگیرانه استفاده می­شود. معیار همگرایی حداکثر  با گام زمانی خودکار در نظر گرفته شده­است. محاسبه در سه پره های راهنمای مختلف انجام شده و نتیجه به شرح زیر قابل مشاهده می­باشد:

شکل ۳ تعریف مسئله برای اجزای توربین فرانسیس

نتایج و بحث

تجزیه و تحلیل CFD کامل سیستم توربین فرانسیس در سه پرهمختلف راهنما طبق سه بارگزاری مختلف بر روی توربین از BEP تا اضافه بار انجام شده­است. بحث مفصل در مورد نتایج به شرح زیر است:شکل ۴ نمودار تراکم فشار و سرعت را در یک صفحه مرکزی نشان می­دهد. در اینجا بار ۱۰۰٪ به معنای تخلیه­ی نامی و ۱۱۲٪ و ۱۲۳٪ برای مقدار تخلیه برای اضافه بار است. این شکل کاهش تدریجی فشار از ورودی محور مارپیچی به خروج رانر را نشان می­دهد. افت فشار استاتیک در محفظه تقریباً بی اهمیت است و فقط از موجب تلفات اصطکاک می­شود. هنگامی که آب وارد پره راهنما (هدایت) از محفظه می­شود، با توجه به باز شدن پره راهنما (هدایت)، تغییرات فشار استاتیک رخ می­دهد. در این مورد، در BEP تغییرات فشار استاتیک همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده­است، در مقایسه با باز شدن به دلیل اضافه بار، بیشتر است. این باعث می­شود سرعت در پره راهنما (هدایت)خروجی بیشتر شود که این موضوع تلفات اصطکاک را افزایش می­دهد. علاوه بر این، هنگامی که باز شدن در حال تغییر است، چرخش آب ورودی به رانر نیز دچار تغییر می­شود. این تغییر در چرخش در ورودی رانر موجب تلفات در لبه­ی پیشرو می­شود که موجب افزایش توسعه و جداسازی جریان می­شود.

شکل ۴ نمودار کنتور فشار و سرعت در مرکز صفحه

 

شکل ۵(a) کنتور فشار را بر روی سطح اوجی  رانر نشان می­دهد. این نشان می­دهد که چگونه فشار استاتیک به تدریج از ورودی تا خروج رانر کاهش می­یابد. شکل ۵ همچنین بارگیری تیغه­ای که توزیع فشار در دو طرف تیغه رانر است را نشان می­دهد. همچنین نشان می­دهد که بار، اختلاف فشار بین دو طرف تیغه را افزایش می­دهد. به دلیل این افزایش اختلاف فشار، گشتاور نیز افزایش یافته که این موجب افزایش تولید توان خروجی می­شود.

 

شکل ۵(b) نشانگر بارگیری تیغه روی تیغه رانر می­باشد. به دلیل وجود ۱۳ تیغه، بیشتر از یک خط در جدول بارگیری تیغه در توپ چرخشی، محل میانی و سقف، وجود دارد. تقسیم بندی از صفر تا یک در محور x نشان دهنده­ی درصد فاصله بین  لبه پیشرو و پسین رانر است. بارگیری تیغه نیز کاهش تدریجی فشار از ورودی به خروجی را که نشان دهنده­ی یک طراحی خوب می­باشد، نشان می­دهد .

شکل ۶ نشان دهنده­ی سرعت در نمای تیغه به تیغه در توپ چرخشی کف رانر و پره راهنما (هدایت)می­باشد. این نشان می­دهد که آب چگونه از پره راهنما (هدایت)وارد رانر می­شود. همانطور که جریان در ورودی رانر با فشار وارد می شود، جداسازی جریان در تمامی بار­ها انجام می­شود. این جداسازی جریان اجتناب ناپذیر است و شدت آن بستگی به بار عملیاتی دارد. جداسازی جریان یکی از پارامترهای اصلی تلفات سر رانر است. علاوه بر این، شکل ۶ نشان می­دهد که سرعت جریان در کف بسیار زیاد است و این موجب افزایش تلفات اصطکاک رانر می­شود.

شکل ۶ رسم سرعت در شرایط بارگزاری مختلف برای رانر و پره راهنما (هدایت)

شکل ۷ بردار سرعت در شرایط بارگذاری مختلف در لوله مکش را نشان می­دهد. این نشان می دهد که منطقه تفکیک جریان داخل لوله مکش با افزایش بارگزاری، افزایش می­یابد. آب از رانر با سرعت بالا،  با مولفه­ی چرخشی خارج می­شود. مولفه­ی چرخشی بار با بار عملیاتی افزایش می­یابد. این انرژی جنبشی به انرژی فشاری در مخروط ورودی تبدیل نمی­شود، بنابراین تلفات و جدایی جریان افزایش می یابد. در لوله مکش، جداسازی جریان به دلیل چرخش و تغییر جهت جریان با استفاده از خم شدن لوله مکش اتفاق می­افتد.

شکل ۷ رسم بردارهای سرعت در شرایط بارگذاری مختلف برای لوله مکش

شکل ۸ تلفات اجزای مختلف توربین فرانسیس را نشان می­دهد. این حداکثر تلفات اتفاق افتاده در رانر را که با بار عملیاتی افزایش می­یابد نشان می­دهد. این تلفات در رانر به علت جدایی جریان و تلفات اصطکاک است. در صورت استفاده از پره اصلی (راهنما)، تلفات با افزایش بار عملیاتی کاهش می­یابد. کاهش تلفات در پره اصلی (راهنما)به دلیل کاهش سرعت به جهت بازشدن بیشتر، که موجب کاهش تلفات اصطکاک پوستی به علت افت پایین فشار استاتیک است، می­باشد. هنگامی که پره اصلی (راهنما)از حالت کاملاً بسته به حالت کاملاً باز می­رود، درست مثل نازل و افزایش بار عملیاتی عمل می­کند؛ باز شدن  پره اصلی (راهنما)باید افزایش یابد. از این رو، این مانند نازل عمل می­کند که با باز و بسته شدن آن شما می تواند تخلیه را مانند فشار استاتیک تغییر دهد. در هنگام باز شدن کم، افت فشار استاتیک بالا است، بنابراین تلفات سر نیز بالا می­باشد. در مورد محفظه، افزایش بار باعث افزایش تخلیه می­شود. به علت افزایش میزان تخلیه، سرعت داخل محفظه نیز افزایش می یابد که باعث تلفات اصطکاک پوستی زیاد می­شود. از این رو، در محفظه در زمان افزایش بارگیری، تلفات سر نیز افزایش می­یابد. در لوله مکش، بار عملیاتی که افزایش می­یابد تلفات سر نیز افزایش می­یابد. این به دلیل کاهش بازده فشار و جداسازی جریان در لوله مکش است.

شکل ۸ تلفات سر اجزاء

شکل ۹ مقایسه نتایج تجربی و CFD را نشان می­دهد. روند هر دو نتیجه یکسان است و فاصله بسیار کم بین آزمون و نتیجه CFD را نشان می­دهد. پیش­بینی عملکرد CFD توافق خوبی با نتیجه آزمایش دارد.

شکل ۹ مقایسه­ی بین نتایج آزمایش تجربی و CFD

نتیجه­گیری

این مطالعه به ما کمک می­کند تا فیزیک جریان پایه را در اجزای مختلف تعیین کنیم. همچنین به ما کمک می­کند تا علل اصلی تلفات را در اجزای مختلف تعیین کنیم. در این ارزیابی، دو نوع تلفات اساسی را تعیین کردیم: اصطکاک پوستی و جریان ثانویه یا جداسازی جریان که در اجزای مختلف رخ می­دهد. علاوه بر این، ما روند تلفات و الگوی جریان را در انواع مختلف اجزاء که در حقیقت این امر دستورالعمل­های ما برای های طراحی­های جدید آینده می­شود، مشخص کردیم. مقایسه نتایج تجربی و CFD توافق خوبی را نشان داد. این به ما اطمینان می­دهد که پیش بینی عملکرد CFD با نتایج تجربی سازگار است.

 

منبع: Conference: AICFM-FMFP-2011, At IIT-Madras

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *