بهبود عملكرد توربين آبي جريان متقاطع با استفاده از روش عددي

Performance Improvement of a Cross – Flow Turbine Using Numerical Method

در پژوهش حاضر توربين جريان متقاطع نصب‌شده با ظرفيت نامي 340 كيلووات (كه در حال حاضر تنها 198 كيلووات برق در نقطه نامي خود (50 متر، 840 ليتر بر ثانيه و 600 دور بر دقيقه توليد مي‌كند) با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي، براي ملاحظه دلايل توان خروجي پايين، مورد تحليل قرار گرفته است. هندسه توربين شامل چرخ، محفظه، محور، نازل و پره راهنما، به‌منظور دستيابي به منحني‌هاي مشخصه توربين در سرعت‌هاي دوراني مختلف، با استفاده از نرم‌افزار تجاري حل جريان Ansys/CFX شبيه‌سازي گرديد. برخي از نقاط شبيه‌سازي شده، با استفاده از داده‌هاي توربين واقعي اعتبار سنجي شد. براي مدل كردن چرخش بين صفحات چرخ، محفظه و نازل، از مدل چرخ يخ‌زده استفاده شده است. جريان به‌صورت سه‌بعدي و گذرا، حل شده و مدل توربولانسي k-? به كار رفته است. براي مدل كردن جريان دو فاز آب ‌ـ هوا، از مدل همگن سطح آزاد استاندارد استفاده شده است. در بخش نتايج منحني‌هاي عملكرد توربين به‌دست آمده، اثر استفاده از شير هوا مورد بررسي قرار گرفت. از مهم‌ترين عوامل افت توان خروجي، شكل نامناسب نازل و عدم استفاده از شير مكش هوا، تشخيص داده شد. در نهايت بازده توربين جريان متقاطع نيروگاه 16 درصد (از مقدار اوليه 50 درصد به مقدار نهايي 66 درصد) افزايش داده شد.

In the present study, an installed cross flow turbine with rated capacity 340kW that are currently utilized only 198kW in its rated point (50 m, 0.840 m3/s and 600 rpm), has been analyzed with using CFD for considering the reason of its rated low output power. Turbine geometry included runner, casing, shaft, nuzzle and guide vane has been simulated using Ansys/CFX flow solver to determine the turbine characteristic curves in various rotational speeds. Some simulated points have been verified using available real data of actual turbine. To model the vortices between runner surfaces, casing and nuzzle, there was used the frozen rotary model. 3D transient flow has been solved using k-3 turbulence mode. The standard homogenous free surface model has been used to model the water- air two phase flow. Finally turbine characteristic curves have been obtained and effect of air valve has been investigated. Nuzzle improper shape and useless of air valve has been detected as the main reason of power losses. Finally the turbine efficiency has been improved 16 % (from initial value 50% to final value 66%).