توربین چرخ پلتون، شبیه سازی با انسیس فلوئنت، کاربرد صنعتی

شرح پروژه (توربین چرخ پلتون)

در این پروژه، توربین چرخ پلتون (pelton wheel turbine) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) شبیه سازی شده است.

این مقاله در مورد یک توربین ضربه‌ای پرطرفدار است. توربین پلتون تنها توربین هیدرولیک ضربه‌ای است که در حال حاضر استفاده می‌شود. طبق قانون دوم نیوتن، این توربین از یک جت سیال برای تولید انرژی استفاده می‌کند. این توربین توسط یک نازل آب تحت فشار مماسی به سطل متصل به رانر برخورد می‌کند و رانر را می‌چرخاند.

سطل‌ها به صورت جفت هستند تا علاوه بر موازنه نیرویی که اعمال می‌شود، مومنتوم به آرامی و کارآمد منتقل شود. توربین پلتون در اندازه‌های مختلف هستند. از اندازه‌های بزرگ در سدها استفاده می‌شود؛ زیرا این توربین‌ها به طور خاص برای هد فشار بالا طراحی شده‌اند و از اندازه‌های کوچک برای تولید برق در مناطق دورافتاده استفاده می‌شود.

در این پروژه یک توربین چرخ پلتون کوچک با قطر 300 میلی متر و 15 سطل در نرم افزار انسیس فلوئنت شبیه سازی شده است. همچنین هدف این پروژه به دست آوردن مقدار گشتاور تولیدی در این توربین است.

لستر آلن پلتون، مخترع آمریکایی، در سال 1860 در 30 سالگی در جستجوی گنج به غرب آمریکا سفر کرد و در معدنی در شمال کالیفرنیا کار کرد. در آن زمان بیشتر کارها به کمک نیروی موتور بخار انجام می‌شد.

اما این موتورها مقدار زیادی چوب به عنوان سوخت مصرف می‌کردند. چرخه آب مورد استفاده در رودخانه‌های بزرگ با راندمان بسیار پایین در رودخانه‌های کوچک نزدیک معدن بی‌فایده بود. از این‌رو، پلتون شروع به طراحی چرخی کرد که بتواند با سرعت جریان آب پایین کار کند.

در اواسط دهه 1870، او اولین توربین آزمایشگاهی خود را از چوب ساخت و اولین نمونه آهن واقعی در سال 1878 در معدنی در نزدیکی نوادا نصب شد. مزایای مثبت چرخ پلتون و کارایی بالا باعث شد اختراع او خیلی زود به تولید انبوه برسد.

ابتکار پلتون طراحی جداکننده‌ای برای تقسیم جت ورودی به دو جریان مساوی بود. همین ایده راندمان چرخه آب را از حدود 35 درصد به 90 درصد افزایش داد. انواع مختلفی از توربین‌های ضربه‌ای وجود دارد. اما مدلی که پلتون اختراع کرد، هنوز هم کارآمدترین است.

روتور این توربین از یک دیسک تشکیل شده که چندین پره در اطراف آن تعبیه شده است. به این پره‌ها پلیت نیز می‌گویند. یک یا چند نازل به گونه‌ای قرار می‌گیرند که جت آب خارج شده از هر نازل می‌تواند به طور مستقیم و مماس با دیسک به سمت مرکز هر پلیت پرتاب شود.

یک جداکننده یا اسپلیتر وظیفه تقسیم جت ورودی به هر پلیت را به دو جریان مساوی دارد. این دو جریان مساوی پس از عبور از یک مسیر منحنی در سطح داخلی پلیت در جهت مخالف جهت جت ورودی از پلیت خارج می‌شوند.

روش‌های استفاده شده

هندسه شبیه سازی در نرم افزار SpaceClaim ترسیم شده است. مش بندی مدل حاضر با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) ایجاد شد که حدود 10000000 سلول مثلثی را تولید کرد.

علاوه براین، برای کاهش هزینه محاسباتی در نرم افزار فلوئنت، مش‌های مثلثی به چندوجهی (به تعداد 2923341) تبدیل شدند.

شبیه‌سازی‌ پلتون به صورت پایا (steady) با مدل توربولانسی k-ε realizable انجام می‌شود.

ما همچنین از مدل چندفازی حجم سیال (volume of fluid (VOF)) برای معادله دو فازی استفاده کردیم. سیال مورد استفاده در این شبیه سازی هوا و آب برای فاز پیوسته است.

چرخش پلتون با استفاده از روش مش متحرک (mesh motion) با سرعت 3000 ریادیان بر ثانیه انجام می‌شود.

کوپل معادلات سرعت و فشار نیز با استفاده از الگوریتم coupled انجام می‌شود.

نتایج

هدف این پروژه به دست آوردن مومنتوم تولیدی این پلتون و نیروی جانبی تولید شده برای انتخاب محور مناسب است.

با نگاهی به نمودار بالا، به این نتیجه می‌رسیم که پس از 0.078 ثانیه، مومنتوم پلتون به یک نوسان ثابت می‌رسد.