شماره مدرك :
17568
شماره راهنما :
15370
پديد آورنده :
دادخواه، شادي
عنوان :

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

مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع :
1400
صفحه شمار :
سيزده، 81ص.: مصور (رنگي)، جدول، نمودار
استاد راهنما :
ابراهيم شيراني، محمدرضا توكلي
استاد مشاور :
مهدي دادخواه
توصيفگر ها :
توربين آبي جريان متقاطع , مكانيك سيالات محاسباتي , شبيه سازي عددي , مكانيزم حركتي لغزنده , لغزنده , غربالگري , روش سطح پاسخ , طراحي باكس بنكن
استاد داور :
مهدي نيلي احمدآبادي، احمدرضا پيشه ور
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/02/26
كتابنامه :
كتابنامه
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
دانشكده :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/03/02
كد ايرانداك :
2830256
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
The Cross-flow hydro turbine is a suitable choice for low and medium head due to its simplicity in design, low-cost construction and efficiency close to maximum efficiency in off-design conditions. In this study, a method was proposed to design a cross-flow hydro turbine with a specific head and flow rate, based on that a turbine was designed with head, flow rate and efficiency are 10 m, 0.041 m3/s and 67% respectively. The model has been implemented in the Ansys Fluent software in two dimensions and steady for two phases, water and air. One of the aims of this study was to parametric study of a turbine to achieve the possible maximum efficiency; For this purpose, 6 different geometric parameters and rotational speed were studied. Screening was used to eva‎luate the effectiveness of each parameter, which was found to affect all six parameters in the turbine efficiency, and using the Box-Behnken response surface method,49 different geometries were defined to determine the effect of each parameter and the possibility of optimizing it. After simulating 49 different modes, the best geometry was found to have the highest efficiency, according to which the efficiency value increased by 16% and reached to 78%. The use of the response surface method to the optimize geometry of turbine was used for the first time in this research and had a proper result. When the inlet flow-rate of the turbine decreases from its design value, the efficiency value also decreases. In previous studies, it was stated that using a slider can have an efficiency close to the maximum efficiency at off-design conditions. The slider is a section of circle that rotates to change the size of the rotor input arc and the nozzle height. A slider is a solid piece that is placed in front of a stream of water and its thickness must be such that it can withstand the stresses applied to it. In recent studies, only the presence of sliders was studied and the effect of its thickness on turbine performance was not investigated. In this research, the slider thickness was equal to 3, 5 and 8 mm and in cases where the ratio of the input arc to the optimized input arc was equal to 0.25, 0.5 and 0.75, it was found that using the slider with 2 mm thickness at about 25% of the design flow, the turbine still operates at its maximum efficiency. As the slider thickness increases, the efficiency of the turbine decreases slightly, but by using a thickness of 8 mm in a situation where the ratio of the optimized inlet arc to the inlet arc is 0.25, the amount of efficiency is almost zero, because the water inlet flow due to the high thickness of the slider was zero. Therefore, it was found that the most suitable slider thickness is the minimum thickness that can withstand the stresses applied to it. In recent studies, only the effect of using a slider in the simulation has been studied and the movement mechanism and its construction have not been investigated. In the present study, two slider movement mechanisms were designed and modeled with SolidWorks software. In the first design, two knobs connected to the slider on both sides of the turbine were used to rotate the slider. By changing the inlet flow, the operator rotates the slider with two knobs and puts it in a new position. The second design is a more comprehensive and complex design in which the rotation is transmitted to the slider by using a gear and the operator is not in direct contact with the turbine body, which has much better conditions in terms of technology and safety. Finally, a sample of the designed turbine with a slider and movement mechanism of the first design was built and the equipment needed to test was examined. The pump was connected to the turbine inlet and the fluid flow hited the turbine blades after passing through the nozzle, causing the shaft connected to the rotor to rotate. The rotation of the rotor shaft was transferred to the generator shaft by using the coupling, generating electrical energy.
استاد راهنما :
ابراهيم شيراني، محمدرضا توكلي
استاد مشاور :
مهدي دادخواه
استاد داور :
مهدي نيلي احمدآبادي، احمدرضا پيشه ور
لينک به اين مدرک :

بازگشت