جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (خانم شادی دادخواه)
موضوع: طراحی و بررسی پارامتری یک توربین آبی جریان متقاطع در نقطه طرح و خارج از آن با استفاده از شبیه سازی عددی
ارائه دهنده: شادی دادخواه
استادان راهنما: دکتر شیرانی، دکتر توکلی
استادان مشاور: دکتر مهدی دادخواه
استادان داور: دکتر نیلی، دکتر پیشه ور
چکیده
توربین آبی جریان متقاطع به علت سادگی در طراحی، ساخت با هزینه کم و بازده نزدیک به بازده حداکثری در خارج از نقطه طرح، انتخاب مناسبی برای محدوده هد متوسط و کم است. در این پژوهش یک روش برای طراحی توربین آبی جریان متقاطع با هد و دبی مشخص بیان شد و بر اساس آن یک توربین با شرایط عملکرد هد 10 متر و دبی 0/041 مترمکعب بر ثانیه طراحی شد که بازده آن برابر با 67 درصد بود. شبیه سازی عددی توربین موردنظر با نرم افزار Ansys Fluent به صورت پایا برای دو فاز آب و هوا به صورت دو بعدی صورت گرفت زیرا طبیعت جریان دو بعدی است. یکی از اهداف اصلی این پژوهش بهینه‌کردن شکل هندسی توربین برای دستیابی به بیشترین بازده ممکن بود که در همین راستا 6 پارامتر هندسی مختلف و مقدار سرعت دورانی مورد مطالعه قرار گرفت. برای بررسی میزان اثرگذاری هر پارامتر از غربالگری استفاده شد که مشخص شد هر شش پارامتر در بازده توربین اثرگذار هستند و با استفاده از روش سطح پاسخ باکس بنکن، 49 هندسه مختلف برای تعیین اثر هر پارامتر و امکان بهینه‌کردن آن تعریف شد. پس از شبیه سازی 49 حالت مختلف، بهترین هندسه برای داشتن بیشترین بازده مشخص شد که بر اساس آن مقدار بازده 16 درصد افزایش یافت و به مقدار 78 درصد رسید. استفاده از روش سطح پاسخ برای بهینه سازی هندسه توربین برای اولین بار در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفت و نتیجه مطلوبی در پی داشت.
هدف دیگر تحقیق حاضر، ارائه راهکار جهت دستیابی بالاترین بازدهی ممکن در خارج از نقطه طرح است. زمانی که دبی ورودی به توربین از مقدار طراحی آن کاهش یابد مقدار بازده نیز کاهش می یابد. در مطالعات پیشین بیان شد با استفاده از لغزنده میتوان بازده نزدیک به بیشترین بازده در خارج از نقطه طرح داشت. لغزنده قطاعی از دایره است که با چرخش آن اندازه کمان ورودی روتور و ارتفاع نازل را تغییر می دهد. لغزنده قطعه جامدی است که در برابر جریان آب قرار میگیرد و ضخامت آن باید در حدی باشد که قابلیت تحمل تنش های وارد بر آن را داشته باشد. در پژوهش های اخیر تنها وجود لغزنده موردمطالعه قرار گرفت و اثر ضخامت آن بر عملکرد توربین بررسی نشده است. در این پژوهش ضخامت لغزنده برابر با 3، 5 و 8 میلیمتر و در حالتهایی که نسبت کمان ورودی به کمان ورودی بهینه شده برابر با 0/25 ، 0/5و 0/75 باشد، موردمطالعه قرار گرفت و مشخص شد با استفاده از لغزنده با ضخامت 2 میلیمتر و در صورت ورود حدودا 25 درصد دبی طراحی، همچنان توربین با بازده حداکثری خود کار میکند. با افزایش ضخامت لغزنده مقدار بازده توربین به مقدار کمی کاهش مییابد ولی با استفاده از ضخامت 8 میلیمتر در موقعیتی که نسبت کمان ورودی به کمان ورودی بهینه شده برابر با 0/25 است، مقدار بازده تقریبا برابر با صفر شده است که دلیل آن بسته‌شدن مجرای ورودی آب به علت ضخامت بالای لغزنده است؛ بنابراین مشخص شد مناسبترین ضخامت لغزنده، کمترین ضخامتی است که تحمل تنشهای وارد شده بر آن را داشته باشد.
در پژوهش های اخیر تنها اثر استفاده از لغزنده در شبیه سازی مورد مطالعه قرار گرفته و مکانیزم حرکتی و نحوه ساخت آن بررسی نشده است. در پژوهش حاضر دو مکانیزم حرکتی لغزنده طراحی و با نرم افزار سالیدورک مدل سازی شد. در طرح اول برای چرخاندن لغزنده از دو دستگیره متصل به لغزنده در دو طرف توربین استفاده شد که با تغییر دبی ورودی، اپراتور به وسیله دو دستگیره، لغزنده را می چرخاند و در موقعیت جدید قرار می دهد. طرح دوم، طرح جامع و پیچیده تری است که در آن چرخش با استفاده از چرخدنده به لغزنده انتقال می یابد و اپراتور به‌صورت مستقیم با بدنه توربین در تماس نیست که از نظر فنی و ایمنی شرایط بسیار مناسبتری دارد. در انتها یک نمونه از توربین طراحی شده همراه با لغزنده و مکانیزم حرکتی طرح اول ساخته شد و تجهیزات موردنیاز برای تست آن بررسی شد. پمپ آب به ورودی توربین ساخته شده متصل شد و جریان سیال پس از عبور از نازل به پره های توربین برخورد کرد و باعث چرخش شافت متصل به روتور شد. با استفاده از کوپلینگ، چرخش محور روتور به محور ژنراتور منتقل یافت و تولید انرژی الکتریکی را در پی داشت.