بخشی از مقاله
چکیده
امروزه استفاده از انرژیهای نو، به ویژه انرژی امواج اقیانوس، جایگاه خاصی در جهان پیدا کرده است؛ چرا که یکی از منابع با پتانسیل بالا، قطعا انرژی موج دریایی است. در این مقاله، عملکرد توربین محوری نوع ولز بر روی ستون نوسانی آب، توسط شبیهسازی عددی جریان پایا، مطالعه و بررسی شده است.
در این راستا معادلات حاکم شامل پیوستگی و مومنتم با در نظر گرفتن مدل آشفتگی RNG k- در دستگاه مختصات چرخان حل شدهاند. نتایج از طریق استقلال حل از شبکه و مقایسه با نتایج آزمایشگاهی و عددی راستی آزمایی شدهاند. نتایج نشان میدهند استفاده از پره با پروفیل متغیر سبب به تعویق افتادن پدیده استال در مقاطع نزدیک هاب میشود. در انتها نتایج نشان میدهند که با کم کردن لقی نوک پره و رساندن آن حدود %2 از طول وتر، سبب بهبود راندمان میشود.
-1 مقدمه
بیش از صدها سال است که انسان از سوختهای فسیلی به منظور استحصال انرژی استفاده میکند؛ اما با توجه به محدود بودن سوختهای فسیلی و مسائل زیست محیطی، در سالهای اخیر از انرژیهای دیگر مانند انرژیهای آبی، موجی و خورشیدی استفاده شده است.[1] روشهای متعددی برای بکارگیری این انرژیها در دنیا اختراع شده است؛ یکی از روشهای استحصال انرژی از امواج که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفته، توربین موج اقیانوسی نوع ولز بر روی ستون نوسانی آب بوده که از نوع کم فشار میباشد
این دستگاه ساده ولی هوشمندانه توسط پرفسور آلن آرتور ولز1 - استاد دانشگاه کوئین2 در بلفاست 3 بریتانیا - در سال1976میلادی اختراع گردید.[3] همانطور که در شکل 1 مشاهده میشود، در این روش از یک ستون نوسانی آب4 استفاده میشود، که ستون نوسانی آب شامل یک محفظه خاص با یک توربین دو طرفه است. انتهای این توربین محل ورود موج به صورت ناگهانی میباشد که در اثر بالا آمدن ارتفاع موج، هوای بالای ستون شناور آب فشرده شده و در نهایت خروج هوای فشرده به فضای باز، چرخش توربین با سرعت بالا و گردش ژنراتور و تولید الکتریسیته را به همراه دارد. لازم به ذکر است که با خروج ستون آب از محفظه سبب مکش هوای خارج از محفظه گردیده که با توجه به شکل خاص پرههای توربین، توربین فقط در یک جهت قابل چرخش میباشد، که این دلیلی بر خود اصلاح بودن این توربین میباشد
شکل 1 نمایی از سیستم ستون نوسانی آب
-2 نحوه عملکرد توربین ولز
توربین ولز از تعدادی پره تشکیل شده است که با زاویه 90 درجه نسبت به محور دوران قرار میگیرند - شکل. - 2 مطابق با مفاهیم استاندارد مربوط به ایرفویلها، اگر جریانی با زاویه - نسبت به لبه حمله - به یک ایرفویل برخورد کند، موجب ایجاد نیروی برآ - عمود بر جریان نسبی آزاد - - W - و نیروی پسا - هم جهت با آن - میشود. ترکیب این نیروها، همانطور که در شکل 3 مشاهده میشود، منجر به ایجاد دو مولفه نیروی محوری - FA - و مماسی - FT - میشوند. جهت نیروی مماسی برای مقادیر مثبت و منفی جهت جریان و به تبع آن زاویه حمله، یکسان است.
در شکل 3، پره توربین ولز، مثلث سرعت و نیروهای وارد بر پره در دو جهت جریان هوای مخالف هم ارائه شده است. مطابق این شکل، نیروی محوری در راستای سرعت VA است. جهت چرخش در پرهها وابسته به نیروی مماسی است. در هر دو حالت جریان هوا، جهت نیروی مماسی به سمت نوک پره بوده، بنابراین جهت چرخش پره مستقل از جهت جریان است که امتیاز مهم این نوع از توربینها است. نیروی محوری FA موجب ایجاد نیروی فشار در جهت محور دوران میشود که باید توسط یاتاقانها جذب شود. نیروهای مماسی و محوری از روابط - 1 - و - 2 - بهدست میآیند:
شکل 3 نیروهای مماسی و عمودی بر روی پره شکل 2 شماتیکی از توربین ولز
-3 پارامترهای عملکرد توربین ولز
عملکرد توربین ولز شامل توان خروجی، افت فشار در دو طرف روتور، بازده توربین و محدوده کاری آن است. باید به این نکته توجه داشت که بازده مبدل انرژی موج ارتباط مستقیمی با افت فشار و راندمان توربین دارد. پارامترهای مختلفی بر روی عملکرد توربین ولز تاثیر گذارند که در بخشهای بعدی به تفکیک مورد بررسی قرار میگیرند.
-1-3 صلبیت
صلبیت توربین، مقیاسی برای انسداد جریان هوا و یا آب گذرنده از توربین است. همچنین، صلبیت مقیاسی از تاثیر متقابل پرهها بر روی یکدیگر است که روی قابلیت خود گردشی توربین تاثیر میگذارد. برای اینکه توربین قابلیت خود گردشی داشته باشد، بایستی صلبیت بیشتر از 0/5 باشد.[9] برای صلبیتهای بالا، به دلیل اثرات چرخش جریان، تلفات انرژی در خروجی پره افزایش یافته که باعث کاهش بازدهی توربین میشود. در حالت صلبیت بالا، پرههای در نزدیکی هاب به هم نزدیک هستند که موجب تاثیر لایه مرزی آنها بر روی یکدیگر میشود. این تاثیر منجر به تلفات دیواره پره روی سطح هاب و ناحیهای از پره که نزدیک هاب هست، میشود. همچنین در نزدیکی هاب، به دلیل سرعت خطی کمتر حاصل از دوران، زاویه حمله بزرگتر میشود که منجر به ایجاد گردابهها میگردد و در نتیجه تلفات در این ناحیه بیشتر است.
در رابطه S - 3 - صلبیت، Z تعداد پره، C طول وتر، rt شعاع نوک پره و - h=Dh/Dt - نسبت قطر هاب به نوک پره است.
-2-3 نسبت هاب به نوک
افزایش این نسبت از حدی مشخص منجر به کاهش بازده میشود. این به دلایل عکسالعمل بین پرهها در ناحیه هاب است و زاویه حمله تاثیر بیشتری از نوک پره بر این ناحیه دارد که سبب تولید گردابه در زاویه حمله کوچکتری نسبت به نوک پره میشود. بر این اساس، h 0/6 مناسبترین مقدار جهت بهینهسازی طراحی است.[5]
-3-3 لقی نوک
نسبت لقی نوک پره به طول پره، پارامتر مهمی برای عملکرد توربوماشینها است. تحقیقات متعددی در مورد تاثیر میزان لقی نوک پره بر روی بازدهی و استال توربین ولز انجام شده است. نتایج نشان میدهد که کاهش لقی نوک، باعث پیشروی نقطه استال میگردد - استال زودتر رخ میدهد - ؛ اما بازدهی توربین به علت کاهش تلفات نشتی افزایش مییابد. نتایج نشان میدهد که مقدار بهینه برای این نسبت حدود 2 درصد است.[7-6]
-4-3 شکل پره
ضخامت پره - ایرفویل - ، به دلیل تاثیری که بر روی آیرودینامیک پره و نقطه استال میگذارد، بسیار حائز اهمیت است. البته، تاثیر ضخامت بر روی آیرودینامیک از تاثیر عدد رینولدز قابل تفکیک نیست، چرا که هر دو بر روی جدایش روی ایرفویل تاثیرگذارند.
