Σχεδιασμός & ανάλυση αξονικού στροβίλου για κύκλους παραγωγής ισχύος υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα

Abstract

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει η τάση και θέληση για μείωση της χρήσης των συμβατικών ορυκτών καυσίμων για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, με στόχο τη μείωση των ρυπογόνων εκπομπών στην ατμόσφαιρα. Αυτή η προσπάθεια έχει οδηγήσει σε σημαντική αύξηση της μελέτης τεχνολογιών που χρησιμοποιούν ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ή πετυχαίνουν καλύτερες αποδόσεις σε σχέσεις με τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται ήδη. Ένα χαρακτηριστικό τέτοιο παράδειγμα, αποτελεί ο κλειστός κύκλος Brayton όπου ρέει υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα (sCO2). Ο κύκλος υπερκρίσιμου CO2 μπορεί να βρει εφαρμογή σε πλήθος περιπτώσεων και αναγκών, κυρίως σε συστήματα υψηλών θερμοκρασιών, πετυχαίνει πολύ καλύτερες αποδόσεις από τους αντίστοιχους κύκλους Rankine, ενώ λόγω των ιδιοτήτων του CO2 το μέγεθός της εγκατάστασής τους είναι σημαντικά μικρότερο, οδηγώντας σε σημαντική μείωση του κόστους κατασκευής και λειτουργίας τους. Στην παρούσα διπλωματική εργασία γίνεται η ανάλυση και κατά συνέπεια ο σχεδιασμός της ροής ενός μονοβάθμιου αξονικού στροβίλου, ο οποίος θα χρησιμοποιεί ως εργαζόμενο ρευστό το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα. Ο σχεδιασμός ενός τέτοιου στροβίλου είναι αρκετά ιδιαίτερος, καθώς η ροή δεν πρέπει να εισέλθει στη διφασική περιοχή, προκαλώντας προβλήματα στη λειτουργία του στροβίλου. Στην διπλωματική εργασία αυτή, ερευνάται ο κύκλος Brayton επανασυμπίεσης και στη συνέχεια σχεδιάζεται ο στρόβιλος του συστήματος. Η μελέτη ξεκινά με έναν προκαταρκτικό σχεδιασμό, ο οποίος δίνει μία αρχική προσέγγιση της απόδοσης, της διαμέτρου και του αριθμού στροφών του στροβίλου. Ακολούθως, αναπτύσσεται ένα δισδιάστατο μοντέλο σχεδιασμού του στάτορα και του ρότορα του στροβίλου στο υπολογιστικό πρόγραμμα MATLAB, όπου ενσωματώνονται όλα τα διαθέσιμα μοντέλα θερμοδυναμικής και ρευστοδυναμικής από τη βιβλιογραφία. Ακολουθεί ο τρισδιάστατος σχεδιασμός των πτερυγίων του στάτορα και του ρότορα στο λογισμικό περιβάλλον του CFturbo, με βάση τα αποτελέσματα του δισδιάστατου μοντέλου που προέκυψαν από το προηγούμενο βήμα. Στη συνέχεια, δημιουργείται η γεωμετρία και το πλέγμα για τα δύο πτερύγια και αφού συνδεθούν κατάλληλα, πραγματοποιείται η επίλυση της ροής με τη χρήση του λογισμικού ANSYS, ώστε να μελετηθούν τα τρισδιάστατα φαινόμενα της ροής του διοξειδίου του άνθρακα.