Pelton Turbines 시뮬레이션

Pelton Turbines 시뮬레이션

Flow Science 시뮬레이션 콘테스트 시리즈의 세 번째 글에서는 FLOW-3D 를 사용하는 Pelton 터빈의 시뮬레이션에 대해 이야기 할 것입니다. 이 작업은 XC Engineering 이탈리아의 동료 직원이 수행 했습니다 .
Pelton 터빈은 수력 발전소의 발전에 사용됩니다. 높은 헤드 및 낮은 유속에서 수분 에너지를 사용할 수있을 때 작동에 적합합니다. Pelton 터빈에서, 물의 운동 에너지로부터 추출된 에너지는 임펠러의 회전에 사용됩니다. 상부 분지에서 나오는 물은 가속되어 Pelton 패들의 표면에서 배출됩니다. 패들 지오메트리는 패들의 회전에 가능한 한 많은 운동 에너지를 흡수하도록 설계되었습니다. 터빈의 회전 속도는 회전자와 고정자가있는 전기 발전기를 사용하여 전력으로 변환됩니다. 이 연구의 목적은 물이 약 120 m/s의 속도로 Pelton의 패들에 충돌하여 토크와 각가속도를 제공하는 터빈의 초기 과도 현상을 분석하는 것입니다.

FLOW-3D 에서 Pelton 터빈 모델링

시뮬레이션에 사용된 형상이 아래에 나와 있습니다. 시뮬레이션에 사용된 모든 형상과 데이터는 실제 현상과 일치하여 현실적이며 실제 형상과 일치합니다. 휠 형상은 실제 모양과 질량 특성을 가지며 유체는 적당한 속도의 물이며 노즐에는 Doble 밸브 (여기서는 볼 수 없음) , 실제 터빈에서 물의 유속을 조절하는데 사용됩니다.

움직이는 물체

이 시뮬레이션에는 FLOW-3D 를 매우 적합한 선택으로 만드는 많은 기구학이 관련되어 있습니다. 객체의 동작은 6 자유도 (3 회전 + 3 병진)를 모두 가질 수 있으며, 또는 규정 된 방식으로 제한 될 수 있습니다. 이 시뮬레이션을 위해 Pelton 터빈은 모든 다른 방향 (회전 및 병진 모두)으로 구속 된 상태에서 고정 x 축 결합 회전만 허용됩니다. 다른 구성 요소는 움직이지 않습니다.

중력 및 비 관성 참조 프레임

아래 그림은 중력 가속도가 축 중 하나에 기울어지지 않았 음을 보여줍니다. 이는 원래의 CAD 형상에서 축이 입구가 y 축에 평행하고 z 축에 수직이되도록 입구에 대해 정의되기 때문입니다. 그러나이 시뮬레이션의 경우 중력은 아래 표시된 방향 (분홍색 벡터)이 아니며 축 중 하나를 따르지 않아야합니다. FLOW-3D 의 중력 및 비 관성 참조 프레임 모델을 통해 사용자는 이러한 어려움을 극복 할 수 있습니다. 하나의 축을 따라 중력 값 (G)을 정의하는 대신 사용자는 여러 축을 따라 여러 값의 가속도를 정의하여 그물 결과가 G와 같고 원하는 방향을 따르게 할 수 있습니다. 아래 그림은 이것이 FLOW-3D 에서 어떻게 수행되었는지를 보여줍니다. -y 방향의 가속도는 3.35m2 / s로, -z 방향의 속도는 9.209m2 / s가되도록하여 원하는 방향으로 9.8m2/s가되도록 하였다.

-y 및 -z 방향의 지정된 가속 벡터를 기반으로 정확한 크기 및 원하는 방향으로 그물 중력 중력을 계산합니다. (벡터는 축척되지 않습니다. 그러나 벡터의 방향은 정확합니다)

결과

Pelton 터빈의 경우 휠의 주속이 노즐에서 물의 속도의 약 1/2 인 경우 최고 효율에 도달하는 것으로 알려져 있습니다. 이를 위해 유체 속도를 모니터링하기 위해 노즐의 중앙에 프로브를 배치하고 주변 속도를 추적하기 위해 다른 프로브를 패들의 휠에 장착했습니다. 두 가지 양은 아래 애니메이션에 표시됩니다.

유체 속도 (파란색) 플롯과 해당 주변 속도 (빨간색)를 보여주는 Pelton 터빈 시뮬레이션. 또한 패들과 물의 결합 모션을 강조하는 단면도가 나와 있습니다.
위의 그래프는 시뮬레이션이 끝날 때 주변 속도가 충격 유체의 속도의 절반 이상에서 점차적으로 안정 해짐을 보여줍니다. 충돌 유체 속도의 절반은 60m / s이지만 시뮬레이션이 끝날 때까지 주변 속도는 75m / s에 도달합니다. 이 차이 (바람직 함)는 현재 터빈이 회전자로부터 어떠한 회전 저항도받지 못하기 때문에 발생합니다. 높은 주변 속도는 로터가 터빈에 연결된 경우의 손실을 극복하기 위해 높은 운동 에너지를 보장합니다. 최종 목표는 최대 효율 점에서 회전 속도를 줄이고 에너지를 추출하기 위해 노즐에서 나오는 각 유속에 대해 회전자의 저항을 조정하는 것입니다.
이 연구 결과를 이해하기 위해서는 가변값 기반의 알파 투명도, 카메라 이동, 빛과 반사의 미세 조정, 멀티 플롯 및 멀티 뷰포트 시각화와 같은 FlowSight TM 의 고급 후 처리 기능을 사용하는 것이 훨씬 쉽습니다. 이러한 많은 사후 처리 된 결과 중 하나가 FlowSight의 이동 카메라 및 슬로우 모션 기록을 강조하기 위해 아래에 표시됩니다.


느린 동작과 카메라 애니메이션 이동을 보여주는 Pelton 터빈 시뮬레이션

위 사례로 알 수 있듯이다 다방향 가속 처리와 최첨단 포스트 프로세서인 FlowSight를 기반으로 한 FLOW-3D 의 움직이는 물체 모델 사례가 여러분의 연구에 좋은 결과를 기대하게 합니다.