Παραμετρικός σχεδιασμός, υπολογιστική προσομοίωση & διερεύνηση των περιθωρίων βελτίωσης της ευθείας & ανάστροφης λειτουργίας φυγοκεντρικών αντλιών

Abstract

Hydro turbines are hydraulic machines designed to harvest the hydraulic potential for energy production. However, in many cases the purchase cost of these machines, along with their controlling electromechanical equipment, is considered techno economically unattractive for the exploitation of small hydropower potential. For this reason, there has recently been a more systematic investigation of the ability to use pumps in reverse operation [Pumps-as-Turbines, PAT], which present considerably lower purchase cost than standardized hydro turbines with respective operating characteristics. Nevertheless, PATs demonstrate some serious disadvantages compared to hydro turbines, most importantly lower efficiency and difficulty in regulation.The current Thesis aims at conducting numerical analysis and study of the flow in direct and reverse operation of centrifugal pumps, developing parametric design methods and implementing optimization procedures with regard to maximizing PATs hydraulic efficiency. The tools employed for this investigation include a series of different algorithms which enable the parametric design of centrifugal pump geometries, a CAD commercial code for the construction of computational domains and the production of numerical meshes [Gambit], a CFD commercial code for the flow simulation and geometry evaluation [Fluent] and a general numerical optimization software [EASY].The parametric design methods were developed for the sections of impeller, spiral case and guide vane crown. Impeller design was based on the hydrodynamic theory, as well as on empirical data, in order to introduce different approaches concerning the geometry of the meridional channel and the 3D shape of the blades. Geometry parameterization of spiral case was created in order to adjust to the desired impeller/runner dimensions, while also ensuring smooth flow in its interior. Radial guide vanes crown was dimensioned considering the neighboring sections of the machine and designed using symmetric hydrofoils, controlling the opening with regard to vane relative angle. The above methods allow sufficient design flexibility with a relatively small number of design variables, and hence are appropriate for use in design optimization procedures for centrifugal pumps and PATs.Numerical investigation was initially conducted separately for the sections of impeller/runner and the spiral case of a centrifugal pump in direct and reverse operation, concerning a desired pumping BEP. For the direct operation, a series of reference geometries was produced with the corresponding design methods and their performance was studied. Subsequently, optimization procedures were conducted for the impeller geometry, aiming at maximizing hydraulic efficiency. The finally selected new geometries displayed sufficient adaptation to the desired BEP and also remarkable efficiency rise between 0,3% and 7,5% compared to their respective initial geometries.In reverse operation, the new impellers were considered as initial PAT runners. At first, the flow inlet conditions that are implemented by the spiral case geometry were studied. Then, three types of design configuration were examined, aiming at energy efficiency improvement. Two optimization procedures were conducted for redesigning the runner geometry and the adding of splitter blades in an initial PAT runner was studied. Finally, the insertion of a guide vane crown between the spiral case and an initial runner was examined, in order to regulate the incoming flow. Significant energy efficiency rise was achieved with all of the examined configurations, with the splitter blades standing out as the most promising one, due to the low extent of technical intervention required, as well as the ability to adjust in advance the reverse BEP.Furthermore, the flow field in the PAT sections for the cases and operating points examined above was also studied in the full, unified computational domain of the respective geometries, confirming the sufficient adaptation to the desired pumping BEP, the reliability of the partial numerical investigation and the considerable saving of computational resources achieved by this method. Moreover, the fluctuations of pressure and velocity fields over time, caused by the finite number of the rotating blades, were studied for the above cases, showing significant smoothing with all of the examined design configurations in reverse operation. Finally, the resulting values of PAT dimensionless parameters, which by definition correlate the BEPs of direct and reverse operation, where compared with the corresponding results obtained by the dominant statistic correlations of the literature, showing satisfactory agreement.The developed methodology of computational analysis and design optimization with regard to PAT operation was implemented on the redesigning of a standardized centrifugal pump impeller. The new impeller was constructed from synthetic material by 3D printing and its reverse operation was compared to that of the initial runner, by conducting experimental measurements in the facilities of the Laboratory of Hydraulic Turbomachines, NTUA [LHT/NTUA]. The new runner showed considerable total efficiency rise of about 6,5% in agreement with the improvement estimated by the numerical simulations conducted for the two runners, thus confirming the aptness of the developed methodology for industrial purposes. Furthermore, the design interventions in the initial runner require small scale adjustments in production design and materials, thus effectively maintaining the low production cost of a standardized pump.

Οι υδροστρόβιλοι είναι υδροδυναμικές μηχανές σχεδιασμένες ώστε να εκμεταλλεύονται το υδραυλικό δυναμικό προς παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο, σε αρκετές περιπτώσεις το κόστος αγοράς των μηχανών αυτών, καθώς και του ηλεκτρομηχανολογικού εξοπλισμού ελέγχου της λειτουργίας τους κρίνεται οικονομοτεχνικά ασύμφορο για την εκμετάλλευση δυναμικού χαμηλής ισχύος. Για τον λόγο αυτόν, πρόσφατα άρχισε να διερευνάται συστηματικότερα η δυνατότητα χρήσης τυποποιημένων αντλιών σε ανάστροφη λειτουργία [Pumps-as-Turbines, PAT], οι οποίες έχουν σημαντικά μικρότερο κόστος κτήσης από τους τυποποιημένους υδροστροβίλους με αντίστοιχα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Ωστόσο, οι PAT εμφανίζουν ορισμένα συγκριτικά μειονεκτήματα ως προς τους υδροστροβίλους, με σημαντικότερα το χαμηλότερο βαθμό απόδοσης και τη δυσκολία ρύθμισης του σημείου λειτουργίας τους.Στόχος της Διατριβής είναι η αριθμητική ανάλυση και μελέτη της ροής κατά την ευθεία και ανάστροφη λειτουργία φυγοκεντρικών αντλιών και η ανάπτυξη και εφαρμογή μεθόδων παραμετρικής χάραξης και βελτιστοποίησης του υδροδυναμικού σχεδιασμού τους, με στόχο τη μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης ως PAT. Τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση αυτή ήταν μια σειρά εναλλακτικών αλγορίθμων παραμετρικού σχεδιασμού της γεωμετρίας φυγοκεντρικών αντλιών, ένα εμπορικό πρόγραμμα ψηφιακής σχεδίασης για την κατασκευή των υπολογιστικών χωρίων και τη δημιουργία των αριθμητικών πλεγμάτων [Gambit], ένα εμπορικό λογισμικό υπολογιστικής ρευστοδυναμικής για την προσομοίωση της ροής και την αξιολόγηση των παραγόμενων γεωμετριών [Fluent] και ένα γενικό λογισμικό αριθμητικής βελτιστοποίησης [EASY]. Αρχικά, αναπτύχθηκαν μέθοδοι παραμετρικού σχεδιασμού για τα τμήματα της πτερωτής, του σπειροειδούς κελύφους και της στεφάνης ρυθμιστικών πτερυγίων. Ο σχεδιασμός της πτερωτής βασίστηκε στην υδροδυναμική θεωρία και σε εμπειρικά δεδομένα, εισάγοντας παράλληλα διαφορετικές προσεγγίσεις για τη χάραξη του μεσημβρινού καναλιού και την τριδιάστατη μορφή των πτερυγίων. Η παραμετροποίηση της γεωμετρίας του σπειροειδούς κελύφους έγινε με γνώμονα την προσαρμογή της στις διαστάσεις της συνεργαζόμενης πτερωτής/δρομέα, εξασφαλίζοντας παράλληλα την ομαλή οδήγηση της ροής στο εσωτερικό του. Η ακτινική στεφάνη ρυθμιστικών πτερυγίων διαστασιολογήθηκε ως προς τα συνεργαζόμενα τμήματα και σχεδιάστηκε με συμμετρικές υδροτομές, ελέγχοντας το άνοιγμα ως προς τη σχετική γωνία των πτερυγίων. Οι μέθοδοι αυτές επιτρέπουν μεγάλη σχεδιαστική ευελιξία με σχετικά μικρό αριθμό ελεύθερων σχεδιαστικών παραμέτρων, επομένως μπορούν ευχερώς να ενταχθούν σε διαδικασίες βελτιστοποίησης σχεδιασμού φυγοκεντρικών αντλιών και PAT.Η υπολογιστική διερεύνηση διεξήχθη κατ’ αρχήν τμηματικά στην πτερωτή/δρομέα και στο κέλυφος φυγοκεντρικής αντλίας για την αντλητική και την ανάστροφη λειτουργία της γύρω από ένα ζητούμενο κανονικό σημείο λειτουργίας [ΚΣΛ]. Για την αντλητική λειτουργία, δημιουργήθηκαν και μελετήθηκαν διάφορες γεωμετρίες αναφοράς με τις αντίστοιχες σχεδιαστικές μεθόδους. Ακολούθως, διεξήχθησαν βελτιστοποιήσεις του σχεδιασμού της πτερωτής, θέτοντας ως στόχο τη μεγιστοποίηση της υδραυλικής απόδοσης, με τις επιλεγόμενες νέες γεωμετρίες να προσαρμόζονται στο ζητούμενο ΚΣΛ, επιτυγχάνοντας παράλληλα αύξηση της απόδοσης κατά 0,3% έως 7,5% έναντι των αντιστοίχων αρχικών. Στην ανάστροφη λειτουργία, οι νέες αυτές πτερωτές εξετάστηκαν ως αρχικοί δρομείς PAT. Αρχικά μελετήθηκαν οι συνθήκες εισόδου της ροής που επιβάλλει το σπειροειδές κέλυφος. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν 3 τύποι σχεδιαστικών παρεμβάσεων στις PAT, με γνώμονα τη βελτίωση του βαθμού απόδοσης. Διεξήχθησαν δύο διαδικασίες βελτιστοποίησης για τον ανασχεδιασμό της γεωμετρίας του δρομέα και εξετάστηκε η προσθήκη διαχωριστικών πτερυγίων σε αρχικό δρομέα PAT. Τέλος, μελετήθηκε η παρεμβολή στεφάνης ρυθμιστικών πτερυγίων μεταξύ του κελύφους και του δρομέα για τη ρύθμιση της διερχόμενης ροής. Σε όλες τις εξεταζόμενες σχεδιαστικές τροποποιήσεις επιτεύχθηκε σημαντική αύξηση του ενεργειακού βαθμού απόδοσης έναντι των αντιστοίχων αρχικών PAT, με εκείνη της προσθήκης διαχωριστικών πτερυγίων να προκρίνεται ως η πλέον υποσχόμενη, καθώς απαιτεί μικρότερες τεχνικές παρεμβάσεις και επιτρέπει την εκ των προτέρων ρύθμιση του ανάστροφου ΚΣΛ.Στη συνέχεια, το πεδίο ροής στις περιπτώσεις και τα σημεία λειτουργίας για αντλία και PAT που εξετάστηκαν στην τμηματική διερεύνηση προσομοιώθηκε και στα πλήρη υπολογιστικά χωρία των αντιστοίχων γεωμετριών, επιβεβαιώνοντας την καλή προσαρμογή των νέων πτερωτών στο επιθυμητό ΚΣΛ και την αξιοπιστία και ακρίβεια της μεθόδου τμηματικής προσομοίωσης, αλλά και τη σημαντική εξοικονόμηση υπολογιστικών πόρων που επιτυγχάνεται με αυτή. Ακόμα, στις παραπάνω περιπτώσεις μελετήθηκε αριθμητικά η χρονική διακύμανση του πεδίου πιέσεων και ταχυτήτων στην περιοχή εισόδου της ροής από το κέλυφος στον δρομέα, η οποία προκαλείται λόγω του πεπερασμένου αριθμού των στρεφόμενων πτερυγίων. Διαπιστώθηκε ότι οι διακυμάνσεις αυτές εξομαλύνονται με τις βελτιωμένες σχεδιαστικές διαμορφώσεις των δρομέων που εισήχθησαν. Τέλος, οι προκύπτουσες τιμές των αδιάστατων παραμέτρων λειτουργίας των εξεταζόμενων PAT, οι οποίες συσχετίζουν τα ΚΣΛ αντλητικής και ανάστροφης λειτουργίας, συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των επικρατέστερων στατιστικών συσχετίσεων της βιβλιογραφίας, εμφανίζοντας ικανοποιητική συμφωνία.Η ολοκληρωμένη μεθοδολογία υπολογιστικής ανάλυσης και βελτιστοποίησης σχεδιασμού και λειτουργίας των PAT εφαρμόστηκε για τον ανασχεδιασμό της πτερωτής μιας τυποποιημένης εμπορικής φυγοκεντρικής αντλίας. Η νεά πτερωτή κατασκευάστηκε από σύνθετο υλικό με τριδιάστατη εκτύπωση και η ανάστροφη λειτουργία της συγκρίθηκε με εκείνη της αρχικής πτερωτής, διεξάγοντας πειραματικές μετρήσεις στις εγκαταστάσεις του ΕΥΜ/ΕΜΠ. Διαπιστώθηκε ότι επιτυγχάνεται σημαντική βελτίωση του βαθμού απόδοσης της νέας PAT, της τάξης του 6,5%. Η βελτίωση αυτή συμφωνεί ικανοποιητικά με εκείνη που εκτιμήθηκε από τις αριθμητικές προσομοιώσεις της ροής στους δύο δρομείς, επιβεβαιώνοντας την καταλληλότητα της μεθοδολογίας για βιομηχανική χρήση. Επιπλέον, οι σχεδιαστικές βελτιώσεις της αρχικής πτερωτής δεν απαιτούν ουσιαστικές τροποποιήσεις στη διαδικασία και τα υλικά κατασκευής της, επομένως διατηρούν το χαμηλό κόστος παραγωγής μιας τυποποιημένης αντλίας.