Ερευνητικό πρόγραμμα "ΥΔΡΟΒΑΛΥΣ"
Το ερευνητικό πρόγραμμα “ΥΔΡΟΒΑΛΥΣ” εκπονείται από το Εργαστήριο Υδροδυναμικών Μηχανών του ΕΜΠ και τη βιομηχανία κατασκευής αντλιών “ΔΡΑΚΟΣ – ΠΟΛΕΜΗΣ ΑΕ” και αφορά στη μελέτη και βέλτιστη σχεδίαση φυγοκεντρικής αντλίας για αποδοτική λειτουργία υδροστροβίλου σε υδροηλεκτρικό σύστημα κατάλληλο για κτηριακή, βιομηχανική και γεωργική χρήση.
Αντικείμενο του έργου είναι η ανάπτυξη μιας ειδικά σχεδιασμένης αντλίας, προοριζόμενης να λειτουργήσει ως υδροστρόβιλος (Pump as Turbine, PAT) για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με υψηλό βαθμό απόδοσης, διατηρώντας το χαμηλό κόστος παραγωγής, λειτουργίας και συντήρησης των τυπικών φυγοκεντρικών αντλιών.
 |
|
 |
Στο πλαίσιο του προγράμματος, αρχικά έγινε ψηφιακή αποτύπωση της αρχικής γεωμετρίας της αντλίας σε περιβάλλον CAD. Στη συνέχεια έγινε αριθμητική προσομοίωση της ροής με χρήση εμπορικού λογισμικού CFD, τόσο για αντλητική, όσο και για υδροστροβιλική λειτουργία. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με πειραματικά δεδομένα που ελήφθησαν από την αντίστοιχη υποδομή του Εργαστηρίου, δείχνοντας καλή συσχέτιση
Έπειτα, δοκιμάστηκαν υπολογιστικά διάφορες σχεδιαστικές παρεμβάσεις στην υπάρχουσα πτερωτή, προκειμένου να βελτιωθεί η υδροστροβιλική της λειτουργία, όπως στρογγύλευση της ακμής προσβολής, διαφορετικός αριθμός πτερυγίων, εισαγωγή διαχωριστικών πτερυγίων (splitter blades) και μεταβολή του πλάτους. Βάσει των δοκιμών αυτών, αναπτύχθηκε παραμετρική σχεδίαση της πτερωτής/δρομέα, και διεξήχθη αριθμητική βελτιστοποίηση της γεωμετρίας με τη χρήση εξελικτικών αλγορίθμων. Οι στόχοι που τέθηκαν στη διαδικασία αυτή ήταν η ελαχιστοποίηση των υδραυλικών απωλειών καθώς και της απόκλισης από τη λειτουργία της αρχικής πτερωτής ως υδροστρόβιλος.
Η γεωμετρία που προέκυψε ως βέλτιστη από την παραπάνω διαδικασία κατασκευάστηκε με τη μέθοδο 3D printing, προκειμένου ο νέος δρομέας να δοκιμαστεί εργαστηριακά και τα αποτελέσματα να συγκριθούν με τα αντίστοιχα υπολογιστικά, ενώ παράλληλα ήταν δυνατή η χάραξη των χαρακτηριστικών καμπύλων λειτουργίας της αρχικής αλλά και νέας γεωμετρίας
Για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών καμπύλων λειτουργίας μετρήθηκαν οι πιέσεις στην είσοδο και στην έξοδο του μοντέλου, η παροχή, οι στροφές και η μηχανική ροπή στην άτρακτο.Η αντλία/υδροστρόβιλος είναι συνδεδεμένη με τον ασύγχρονο ηλεκτροκινητήρα/γεννήτρια, μέσω ενός ελαστικού συνδέσμου κι ενός συνδέσμου αλυσίδας, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται ένα όργανο μέτρησης της ροπής.
Προκειμένου να καλυφθεί μεγάλο εύρος λειτουργίας του συστήματος χωρίς να παρβιαστούν τα όρια πίεσης των τροφοδοτικών αντλιών της εγκατάστασης και ισχύος του κινητήρα/γεννήτριας, χρησιμοποιήθηκαν δύο ασύγχρονοι ηλεκτροκινητήρες: ένας ταχύστροφος, 3000 rpm, ισχύος 5.5 kW και ένας αργόστροφος, 750 rpm.
Διεξήχθησαν 8 σειρές μετρήσεων, για λειτουργία αντλίας ή υδροστροβίλου στις 750 ή στις 3000 rpm, και με εγκατάσταση της αρχικής και της νέας πτερωτής/δρομέα. Σε κάθε τέτοια σειρά ελήφθησαν διπλές μετρήσεις, με αυξανόμενη και με μειούμενη παροχή, και καθαρό χρόνο δειγματοληψίας κάθε σημείου τουλάχιστον 1 λεπτό.
Οι χαρακτηριστικές καμπύλες του βαθμού απόδοσης για λειτουργία υδροστροβίλου, βρίσκονται σε σχετική συμφωνία σε όλες τις περιπτώσεις. Παρατηρείται μια αισθητή βελτίωση της απόδοσης, κατά 3% περίπου, με τον βελτιστοποιημένο δρομέα, τόσο στα αποτελέσματα των προσομοιώσεων όσο και στις μετρήσεις, σχεδόν σε όλο το εύρος παροχών λειτουργίας
Τέλος, δημιουργήθηκε παραμετρική μέθοδος για την τριδιάστατη σχεδίαση νέου σπειροειδούς κελύφους. Οι γεωμετρίες που προκύπτουν από τη σχεδιαστική αυτή μέθοδο προσαρμόζονται στο πλάτος και την ακτίνα εισόδου του δρομέα, ενώ και οι διάφορες απαραίτητες τεχνικές παρεκκλίσεις (γλωττίδα, χοάνη κατάθλιψης) μπορούν να προσαρμοστούν αναλόγως των απαιτήσεων των οριακών συνθηκών εισόδου (σωλήνωση προσαγωγής) και εξόδου (δρομέας) της ροής. Αντίστοιχα, και για το εξάρτημα αυτό έγινε αριθμητική βελτιστοποίηση της γεωμετρίας, με κριτήρια την ελαχιστοποίηση των υδραυλικών απωλειών σε αυτό και την είσοδο της ροής στο δρομέα χωρίς κρούση.
Στο πλαίσο του ερευνητικού προγράμματος πραγματοποιήθηκαν οι εξής δημοσιεύσεις:
1. 13th International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics (ICNAAM 2015)
2. International Review of Mechanical Engineering (IREME)
