Naslov
Mogućnosti poboljšanja hidrodinamičkih karakteristika kinetičkih vodnih turbina
(Possibilities for improving hydrodynamic performance of hydrokinetic turbines)

Autori
Barbarić, Marina

Vrsta, podvrsta i kategorija rada
Ocjenski radovi, doktorska disertacija

Fakultet
Fakultet strojarstva i brodogradnje

Mjesto
Zagreb

Datum
26.03

Godina
2021

Stranica
140

Mentor
Guzović, Zvonimir

Ključne riječi
Turbostrojevi ; kinetičke vodne turbine ; poboljšanja hidrodinamičkih karakteristika ; optimizacija rotorske lopatice ; lopatice s terminezonima ; računalna mehanika fluida
(Turbomachinery ; hydrokinetic turbines ; hydrodynamic performances improvements ; rotor blade optimization ; blade tip winglet ; CFD)

Sažetak
Razvoj tehnologija obnovljivih izvora energije važan je za postizanje ambicioznog cilja Europske unije do 2050. godine, koji podrazumijeva postizanje gospodarstva s nultom neto stopom emisija stakleničkih plinova. Dosadašnji je razvoj uglavnom bio usmjeren na razvoj tehnologija koje koriste intermitentne obnovljive izvore kao što su vjetar i Sunce, dok je kinetička energija sadržana u morima, oceanima i rijekama još uvijek uglavnom neiskorišten potencijal. U literaturi su predloženi različiti koncepti za pretvorbu kinetičke energije vode, a turbine su najčešće korištena tehnologija. Iako je ova tehnologija nadišla početnu fazu testiranja, te su započeti demonstracijski projekti, glavna prepreka za komercijalni uspjeh je relativno niska iskoristivost. Cilj ovog rada je modifikacijom geometrije protočnog dijela kinetičkih vodnih turbina s horizontalnom osi vrtnje ostvariti povećanje hidrauličke iskoristivosti, odnosno koeficijenta snage. Poboljšanja hidrodinamičkih karakteristika se nastoje ostvariti uz istovremeno održavanje jednostavnosti konstrukcije, koja predstavlja jednu od primarnih prednosti ovog načina iskorištavanje hidroenergije. Modifikacijom rotora, u prvom redu oblika lopatica, ostvarena su poboljšanja hidrodinamičkih karakteristika i povećanje koeficijenata snage. Za postizanje visokih koeficijenata snage u širokom radnom području turbine predložen je integrirani pristup konstruiranju lopatica, koji koristi genetske algoritme za optimizaciju hidroprofila i drugih konstrukcijskih parametara rotora, kao što su duljina tetive i kut uvijanja po visini lopatice. Razmotrene su i konstrukcijske izvede rotora s terminezonima, koji se nalaze na vrhovima lopatica i okrenuti su prema podtlačnoj strani lopatica. Njihova je uloga sprečavanje prestrujavanja fluida na vrhu lopatice, koje predstavlja sekundarno strujanje i uzrokuje gubitke na vrhu lopatice. Konstrukcijski parametri terminezona odabrani su na temelju saznanja iz dosadašnjih istraživanja, najviše u području vjetroturbina, a predloženom konstrukcijom ostvareno je povećanje koeficijenta snage za projektni režim rada od 7, 2%. Za dodatno povećanje koeficijenta snage, iznad teorijske vrijednosti poznate pod nazivom Betzo-ov limit, koja iznosi 59, 3% i vrijedi za rotor u slobodnom toku fluida, razmatraju se različiti statorski elementi. Ideja je da se povećanjem brzine u ravnini rotora i uslijed stvaranja područja niskog tlaka iza turbine poveća i izlazna snaga turbine. Provedene su numeričke simulacije različitih izvedbi turbine u svrhu detaljnije analize strujnih karakteristika pomoću računalne mehanike fluida, te je ustanovljeno maksimalno povećanje koeficijenta snage od 81%. Najviši koeficijenti snage dobiveni su korištenjem statora u obliku difuzora s prirubnicom na izlaznom dijelu. Ustanovljeno je da se korištenjem duljih difuzora općenito postižu viši koeficijenti snage, ali taj je utjecaj značajniji za izvedbe statora bez prirubnice. Za statore s prirubnicom utjecaj povećanja duljine difuzora na povećanje koeficijenta snage postaje zanemariv za duljine veće od promjera rotora. Poboljšane konstrukcijske izvedbe kinetičkih vodnih turbina s horizontalnom osi vrtnje predstavljaju učinkovito, pouzdano ali i ekološki prihvatljivo rješenje za distribuiranu proizvodnju električne energije.

Izvorni jezik
Hrvatski

Znanstvena područja
Strojarstvo

POVEZANOST RADA