Υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση της υδροδυναμικής συμπεριφοράς κοχλιωτού υδροστροβίλου

Abstract

The primary objective of this research effort is to study the hydrodynamic behavior of the zero head screw turbines, which leads to the first international three bladed horizontal axis screw turbine. Systematic experimental measurements were made, algorithmic methods were developed and the most sophisticated simulation techniques were used, including computational fluid dynamics, by using the FLOW-3D software. Although the subject of this dissertation focuses on the first internationally horizontal axis screw turbine, it was necessary for the sake of completeness of the whole research effort, to investigate also the inclined axis screw turbines, by constructing series of experimental one and two bladed screw models with different steps. The PhD thesis illustrates the possibility of using the kinetic hydraulic energy, hydraulic networks, marine and coastal streams in order to generate electrical power. It is structured into eight chapters: In the first chapter is given, along with a throwback to the Archimedean screws, a thorough investigation of the screw turbine hydrodynamics, which indicates a relative lack of theories, practical design and studies of the hydrodynamic behavior and performance of the screw water turbines and the related computational and experimental investigations. In the second chapter an evaluation of the Greek Archimedean small hydro resources is done, by examining the basic data for the fourteen water departments of Greece. A holistic assessment methodology is adopted in order to calculate the total theoretical hydro potential of the country, which could be exploited by screw turbines. Alongside, the current prospects are checked for a true sustainable small hydropower development in Greece on the basis of the environmentally friendly screw turbines. The third chapter presents all the activities developed on the implementation of pilot inclined axis screw turbines and at the same time their experimental and theoretical investigation. Eight innovative experimental micro-scale models are stated, which were manufactured and placed in transparent cylindrical adducts. They can operate in controlled flow conditions and orientation angles of their inclined axis, placed in an open hydraulic channel. Experimental efficiency estimations are outlined, using algorithms for calculating the performances of these low charge turbines. One dimensional flow evaluations suitably utilize Rorres methodologies, Rorres-Nurnberg and the Müller-Senior approaches, with simplifier considerations as the «actuator disc» type. The fourth chapter, which is the spearhead of this Ph.D. Dissertation, is devoted to the design and implementation of the first internationally introduced, three bladed horizontal axis screw turbine. The horizontal screw is constructed entirely for this Doctoral Thesis. The screw is experimentally investigated under various operating conditions (e.g. 60 l/s, 70 l/s, 80 l/s, 90 l/s, 100 l/s, 110 l/s, 120 l/s, etc.), different azimuth angles of the rotation axis (e.g. 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°), for various head positions of the rotor relative to the bottom of the hydraulic channel. The goal was to found its hydrodynamic behavior and identify the optimum energy performance. In the fifth chapter, the basic elements to perform C.F.D. computational fluid dynamics simulations are listed, using the FLOW-3D code, in order to determine the performance and efficiency of the horizontal axis screw turbine. It is presented a comparative confrontation of C.F.D. schemes and experimental graphs of the output power and efficiency of the horizontal axis screw turbine according to its rotation speed for different orientation angles of the rotor. The sixth chapter presents a comparative confrontation methodology of the experimental and theoretical hydrodynamic performance of the horizontal axis screw turbine. Beyond the classical kinetic efficiency for zero head flows, a second one is suggested. The potential efficiency takes into account the “flow blockage effect” and the appearance of “inductive head difference”. Also a third efficiency type is introduced as total efficiency. A “Feedback Black Box System” reductive method is analyzed to describe the hydrodynamic performances. An algorithmic “Βlack Βox System” method is set out, adopting the contrivance of the “equivalent drag” and coupling of calculations in the horizontal blade plan S1 and the vertical meridian plan S2. The seventh chapter is an economical and calculation approach of the horizontal axis screw turbine, following a methodology, which is constructed on the basis of the: a) experimental measurements and results of the operation of the innovative screw, which is considered as an experimental prototype/ model, in order to determine the characteristics of the nominal points, b) theory of similarity and c) future prototypes. A feasibility evaluation of two different installation scenarios is being made for the case of Small Hydropower Plants, using horizontal axis screw turbines interconnected and not connected to the central power grid that could fed one cottage with electricity. The eighth and final chapter refers to the key points that summarize and complete the PhD dissertation for its contribution in research and science, describing the further prospects and outlining the framework for future research and applications.

Στο πρώτο κεφάλαιο, παρατίθεται μαζί με την ιστορική αναδρομή στους Αρχιμήδειους κοχλίες, μια διεξοδική βιβλιογραφική διερεύνηση του θέματος της υπολογιστικής και πειραματικής διερεύνησης της υδροδυναμικής συμπεριφοράς κοχλιωτού υδροστροβίλου, η οποία καταδεικνύει σχετική έλλειψη θεωριών και πρακτικών σχεδιασμού-μελέτης της υδροδυναμικής συμπεριφοράς και της απόδοσης των Κοχλιωτών Υδροστροβίλων όσο και σχετικών υπολογιστικών και πειραματικών διερευνήσεων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται αποτίμηση του Ελληνικού Αρχιμήδειου Μικροϋδροηλεκτρικού Δυναμικού, εξετάζοντας τα βασικά δεδομένα των Υδατικών Διαμερισμάτων της Χώρας, υιοθετώντας μια ολιστική μεθοδολογία εκτίμησης του συνολικού θεωρητικού υδροδυναμικού της Χώρας, που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί με βάση τους Κοχλιωτούς Υδροστροβίλους. Διερευνώνται παράλληλα οι υπάρχουσες προοπτικές για μια πραγματική αειφόρο μικροϋδροηλεκτρική ανάπτυξη στην Ελλάδα στη βάση των φιλοπεριβαλλοντικών κοχλιωτών υδροστροβίλων. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι αναπτυχθείσες δραστηριότητες αφενός σχετικά με την υλοποίηση πειραματικών προτύπων κοχλιωτών υδροστροβίλων κεκλιμένου άξονα και αφετέρου σχετικά με την πειραματική και θεωρητική διερεύνησή τους. Περιγράφεται μια σειρά οκτώ καινοτόμων πειραματικών μοντέλων μικρο-κλίμακας στη βάση ομοιωμάτων κοχλιωτών δρομέων που κατασκευάσθηκαν και τοποθετήθηκαν εντός διαφανών κυλινδρικών προσαγωγών ώστε να μπορούν να λειτουργήσουν σε ελεγχόμενες συνθήκες ροής και γωνίες προσανατολισμού των κεκλιμένων αξόνων τους. Παρουσιάζονται εκτιμήσεις του πειραματικού βαθμού απόδοσης, υπολογίζοντας αλγοριθμικά τις επιδόσεις αυτών των κοχλιωτών υδροστροβίλων χαμηλού φορτίου. Το τέταρτο κεφάλαιο, που αποτελεί την αιχμή του δόρατος της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, αφιερώνεται στον σχεδιασμό και υλοποίηση του πρώτου διεθνώς τριπτέρυγου κοχλιωτού υδροστροβίλου οριζοντίου άξονα. Ο κοχλίας δομήθηκε εξ ολοκλήρου στα πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, λειτούργησε και διερευνήθηκε πειραματικά υπό ποικίλες συνθήκες λειτουργίας (π.χ. 60 l/s, 70 l/s, 80 l/s, 90 l/s, 100 l/s, 110 l/s, 120 l/s κ.λ.π.), διάφορες γωνίες προσανατολισμού του άξονα περιστροφής του κοχλιωτού υδροστροβίλου οριζοντίου άξονα (π.χ. 0ο, 5ο, 10ο, 15ο, 20ο, 25ο, 30ο, 35ο, 40ο), για διάφορες θέσεις του υδροκοχλία σε σχέση με τον πυθμένα του υδραυλικού καναλιού και διαπιστώθηκε η υδροδυναμική συμπεριφορά του εντοπίζοντας τις βέλτιστες ενεργειακές επιδόσεις του. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται συγκριτικές αντιπαραθέσεις των C.F.D. διαγραμμάτων και των πειραματικών διαγραμμάτων της αποδιδόμενης ισχύος και του βαθμού απόδοσης του οριζοντίου άξονα κοχλιωτού υδροστροβίλου σε συνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής του κοχλία, για διάφορες γωνίες προσανατολισμού του άξονα περιστροφής του δρομέα. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια απλοποιητική μέθοδος τύπου «Black Box Με Ανάδραση» αλλά και μια αλγοριθμική μέθοδος υπολογιστικής πρόβλεψης υδροενεργειακών επιδόσεων κοχλιωτών υδροστροβίλων οριζοντίου Άξονα τύπου «Βlack Βox Χωρίς Ανάδραση», με συνδρομή των τεχνασμάτων της ισοδύναμης οπισθέλκουσας και της σύζευξης υπολογισμών στο οριζόντιο διαπτερυγιακό επίπεδο S1 και στο κατακόρυφο μεσημβρινό επίπεδο S2. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται μια οικονομοτεχνική και υπολογιστική θεώρηση των Αρχιμήδειων Κοχλιωτών Υδροστροβίλων Οριζοντίου Άξονα ακολουθώντας μια υπολογιστική μεθοδολογία, που δομήθηκε στη βάση: α) των πειραματικών δοκιμών των εργαστηριακών μετρήσεων και αποτελεσμάτων από την λειτουργία του καινοτόμου κοχλιωτού υδροστρόβιλου οριζοντίου άξονα, που θεωρήθηκε ως το πειραματικό πειραματικό πρότυπο/μοντέλο, με προσδιορισμό των χαρακτηριστικών του ονομαστικού σημείου του, β) της θεωρίας ομοιότητας και γ) μελλοντικών πρωτοτύπων Κοχλιωτών Υδροστροβίλων Οριζοντίου Άξονα. Το όγδοο και τελευταίο κεφάλαιο αναφέρεται στα βασικά σημεία που συνοψίζουν και ολοκληρώνουν τη Διδακτορική Διατριβή για τη συμβολή και συνεισφορά στην έρευνα και στην επιστήμη.