The goal of this PhD thesis is the "Computational and experimental investigation of the
hydrodynamic behavior of screw hydro turbine". The possibility to exploit the kinetic
hydraulic energy of watercourses, hydraulic networks and irrigation channels for power
generation has been given little attention, although such currents represent a significant
renewable energy resource, which could be exploited by modern Archimedean screw
technologies. To determine the Horizontal Screw Turbine efficiency a prototype has been
built.
Up to now, less research efforts have been realized on the experimental and theoretical
investigation of the screw turbines behavior and they solely refer to screws with inclined
rotation axis. To this may have contributed the general prevailing impression that the low
available hydrodynamic head of natural or artificial watercourses is technically untapped by
ordinary advanced turbine technologies, as supposedly technical-economical and ecological
potential sensitive, but this perception radically was overturned with the appearance of the
screw turbine.
Today, the phenomena of global climate change affect almost all components of the
hydrological cycle, the continuous economical crises and the international geopolitical
instability dominates, having a direct relation to the development and control of oil prices
and hydrocarbons, the renewable energy sources enter into a new orbit. The energy
technologies need to promote the sustainable development and forward with an
authoritative way the idea of using the lost kinetic energy of natural watercourses, drinking
and irrigation water, dictating and yet assuming a well-coordinated strategy and new
hydraulic holistic approach.
Henceforth, the water should be considered and treated not only as irreplaceable, valuable
resource for life, but as transmission vector of "white coal", a truly sustainable
development, suggesting an effective alternative technologic solution. Instead of allowing
the unused kinetic energy of the flowing water of small and large rivers to be destroyed
thoughtlessly, it could be productively utilized with the help of the proposed, in this
Doctoral Thesis, innovative and pioneering horizontal axis screw turbines.
One of the oldest screw machines, which remain still in operation, is the Archimedean
screw pump. Its discovery is attributed to the greater perhaps engineering and mathematical
genius of antiquity and of all times, to Archimedes (3rd B.C. century). It is an ingenious
pumping device which operates in a simple and elegant manner by rotating the inclined
helical rotor blades within an adduct cylinder, whose the lower edge is immersed into the
water. After a successful operation as pumps, the Archimedean screws thanks to the idea of
reversing the operation of the screw rotors acquired different behavior and returned for the
last fifteen years in the scientific spotlight as screw turbines.
The world's first productive Archimedean Small Hydropower plant was put into
commercial operation in 2000, in the river Fränkische Saale in Hammelburg of Germany.
Since then, the number of screw hydropower plants approximately doubles each year.
Today, there are about ten worldwide manufacturers, with a number of corresponding
installed, mainly in Central Europe, Archimedean screw turbines with inclined axis,
estimated at a few hundreds. These turbines were not designed and constructed as screw
turbines, but as natural extensions of the functional reversal of the old classical pump
mechanism.
Despite the fact that the origins of the screw rotors are lost in the depths of classical
antiquity, the literature search reveals that for the screw turbines, as opposed to all modern
industrial turbines, there is a relative lack of available theories, design practices and studies
of their hydrodynamic behavior and performances.
The exploitation of the kinetic energy of flowing water in irrigation and other man-made or
natural watercourses is now a promising new emerging renewable energy source, which
could lead to the establishment of numerous hero head screw turbines in a plurality of
locations. The innovative horizontal axis screw turbines are in their first steps, however,
constitute an environmentally friendly solution of using the kinetic energy of the flowing
water in natural or artificial watercourses. They work compatible with all other water uses,
are aesthetically acceptable to the surroundings, do not induce an environmental or spatial
coercion, the environmental nuisance and pollution is zero. They do not require structural
interventions and infrastructure, can easily be implemented either separately or in tandem
arrays in the same conduit and do not harm the fish populations.
The primary objective of this research effort is to study the hydrodynamic behavior of the
zero head screw turbines, which leads to the first international three bladed horizontal axis
screw turbine. Systematic experimental measurements were made, algorithmic methods
were developed and the most sophisticated simulation techniques were used, including
computational fluid dynamics, by using the FLOW-3D software. Although the subject of
this dissertation focuses on the first internationally horizontal axis screw turbine, it was
necessary for the sake of completeness of the whole research effort, to investigate also the
inclined axis screw turbines, by constructing series of experimental one and two bladed
screw models with different steps.
The PhD thesis illustrates the possibility of using the kinetic hydraulic energy, hydraulic
networks, marine and coastal streams in order to generate electrical power. It is structured
into eight chapters:
In the first chapter is given, along with a throwback to the Archimedean screws, a thorough
investigation of the screw turbine hydrodynamics, which indicates a relative lack of
theories, practical design and studies of the hydrodynamic behavior and performance of the
screw water turbines and the related computational and experimental investigations.
In the second chapter an evaluation of the Greek Archimedean small hydro resources is
done, by examining the basic data for the fourteen water departments of Greece. A holistic
assessment methodology is adopted in order to calculate the total theoretical hydro potential
of the country, which could be exploited by screw turbines. Alongside, the current prospects
are checked for a true sustainable small hydropower development in Greece on the basis of
the environmentally friendly screw turbines.
The third chapter presents all the activities developed on the implementation of pilot
inclined axis screw turbines and at the same time their experimental and theoretical
investigation. Eight innovative experimental micro-scale models are stated, which were
manufactured and placed in transparent cylindrical adducts. They can operate in controlled
flow conditions and orientation angles of their inclined axis, placed in an open hydraulic
channel. Experimental efficiency estimations are outlined, using algorithms for calculating
the performances of these low charge turbines. One dimensional flow evaluations suitably
utilize Rorres methodologies, Rorres-Nurnberg and the Müller-Senior approaches, with
simplifier considerations as the «actuator disc» type.
The fourth chapter, which is the spearhead of this Ph.D. Dissertation, is devoted to the
design and implementation of the first internationally introduced, three bladed horizontal
axis screw turbine. The horizontal screw is constructed entirely for this Doctoral Thesis.
The screw is experimentally investigated under various operating conditions (e.g. 60 l/s, 70
l/s, 80 l/s, 90 l/s, 100 l/s, 110 l/s, 120 l/s, etc.), different azimuth angles of the rotation axis
(e.g. 0°, 5°, 10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 35°, 40°), for various head positions of the rotor relative
to the bottom of the hydraulic channel. The goal was to found its hydrodynamic behavior
and identify the optimum energy performance.
In the fifth chapter, the basic elements to perform C.F.D. computational fluid dynamics
simulations are listed, using the FLOW-3D code, in order to determine the performance and
efficiency of the horizontal axis screw turbine. It is presented a comparative confrontation
of C.F.D. schemes and experimental graphs of the output power and efficiency of the
horizontal axis screw turbine according to its rotation speed for different orientation angles
of the rotor.
The sixth chapter presents a comparative confrontation methodology of the experimental
and theoretical hydrodynamic performance of the horizontal axis screw turbine. Beyond
the classical kinetic efficiency for zero head flows, a second one is suggested. The
potential efficiency takes into account the “flow blockage effect” and the appearance of
“inductive head difference”. Also a third efficiency type is introduced as total efficiency.
A “Feedback Black Box System” reductive method is analyzed to describe the
hydrodynamic performances. An algorithmic “Βlack Βox System” method is set out,
adopting the contrivance of the “equivalent drag” and coupling of calculations in the
horizontal blade plan S1 and the vertical meridian plan S2.
The seventh chapter is an economical and calculation approach of the horizontal axis screw
turbine, following a methodology, which is constructed on the basis of the: a) experimental
measurements and results of the operation of the innovative screw, which is considered as
an experimental prototype/ model, in order to determine the characteristics of the nominal
YΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ & ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΚΟΧΛΙΩΤΟΥ
ΥΔΡΟΣΤΡΟΒΙΛΟΥ
SUMMARY 6
points, b) theory of similarity and c) future prototypes. A feasibility evaluation of two
different installation scenarios is being made for the case of Small Hydropower Plants,
using horizontal axis screw turbines interconnected and not connected to the central power
grid that could fed one cottage with electricity.
The eighth and final chapter refers to the key points that summarize and complete the PhD
dissertation for its contribution in research and science, describing the further prospects and
outlining the framework for future research and applications.
(EL)
Η Διδακτορική Διατριβή με θεματικό αντικείμενο «Υπολογιστική και Πειραματική
Διερεύνηση της Υδροδυναμικής Συμπεριφοράς Κοχλιωτού Υδροστροβίλου» δομείται σε
οκτώ κεφάλαια ως ακολούθως.
Στο πρώτο κεφάλαιο, παρατίθεται μαζί με την ιστορική αναδρομή στους Αρχιμήδειους
κοχλίες, μια διεξοδική βιβλιογραφική διερεύνηση του θέματος της υπολογιστικής και
πειραματικής διερεύνησης της υδροδυναμικής συμπεριφοράς κοχλιωτού υδροστροβίλου, η
οποία καταδεικνύει σχετική έλλειψη θεωριών και πρακτικών σχεδιασμού-μελέτης της
υδροδυναμικής συμπεριφοράς και της απόδοσης των Κοχλιωτών Υδροστροβίλων όσο και
σχετικών υπολογιστικών και πειραματικών διερευνήσεων.
Στο δεύτερο κεφάλαιο, γίνεται αποτίμηση του Ελληνικού Αρχιμήδειου
Μικροϋδροηλεκτρικού Δυναμικού, εξετάζοντας τα βασικά δεδομένα των Υδατικών
Διαμερισμάτων της Χώρας, υιοθετώντας μια ολιστική μεθοδολογία εκτίμησης του
συνολικού θεωρητικού υδροδυναμικού της Χώρας, που θα μπορούσε να αξιοποιηθεί με
βάση τους Κοχλιωτούς Υδροστροβίλους. Διερευνώνται παράλληλα οι υπάρχουσες
προοπτικές για μια πραγματική αειφόρο μικροϋδροηλεκτρική ανάπτυξη στην Ελλάδα στη
βάση των φιλοπεριβαλλοντικών κοχλιωτών υδροστροβίλων.
Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι αναπτυχθείσες δραστηριότητες αφενός σχετικά με
την υλοποίηση πειραματικών προτύπων κοχλιωτών υδροστροβίλων κεκλιμένου άξονα και
αφετέρου σχετικά με την πειραματική και θεωρητική διερεύνησή τους. Περιγράφεται μια
σειρά οκτώ καινοτόμων πειραματικών μοντέλων μικρο-κλίμακας στη βάση ομοιωμάτων
κοχλιωτών δρομέων που κατασκευάσθηκαν και τοποθετήθηκαν εντός διαφανών
κυλινδρικών προσαγωγών ώστε να μπορούν να λειτουργήσουν σε ελεγχόμενες συνθήκες
ροής και γωνίες προσανατολισμού των κεκλιμένων αξόνων τους, εντός ενός
εργαστηριακού ανοικτού υδραυλικού καναλιού τύπου S3/Titling Flume της εταιρείας
Αrmfield. Παρουσιάζονται εκτιμήσεις του πειραματικού βαθμού απόδοσης, υπολογίζοντας
αλγοριθμικά τις επιδόσεις αυτών των κοχλιωτών υδροστροβίλων χαμηλού φορτίου.
Το τέταρτο κεφάλαιο, που αποτελεί την αιχμή του δόρατος της παρούσας Διδακτορικής
Διατριβής, αφιερώνεται στον σχεδιασμό και υλοποίηση του πρώτου διεθνώς τριπτέρυγου
κοχλιωτού υδροστροβίλου οριζοντίου άξονα. Ο κοχλίας δομήθηκε εξ ολοκλήρου στα
πλαίσια της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής, λειτούργησε και διερευνήθηκε
πειραματικά υπό ποικίλες συνθήκες λειτουργίας (π.χ. 60 l/s, 70 l/s, 80 l/s, 90 l/s, 100 l/s,
110 l/s, 120 l/s κ.λ.π.), διάφορες γωνίες προσανατολισμού του άξονα περιστροφής του
κοχλιωτού υδροστροβίλου οριζοντίου άξονα (π.χ. 0ο, 5ο, 10ο, 15ο, 20ο, 25ο, 30ο, 35ο, 40ο),
για διάφορες θέσεις του υδροκοχλία σε σχέση με τον πυθμένα του υδραυλικού καναλιού
και διαπιστώθηκε η υδροδυναμική συμπεριφορά του εντοπίζοντας τις βέλτιστες
ενεργειακές επιδόσεις του.
Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρατίθενται βασικά στοιχεία από την πραγματοποίηση σειράς
ομάδων C.F.D. υπολογιστικών ρευστοδυναμικών προσομοιώσεων, χρησιμοποιώντας τον
κώδικα FLOW-3D, για τον προσδιορισμό των επιδόσεων και της απόδοσης του
περιστρεφόμενου τριπτέρυγου κοχλιωτού υδροστροβίλου οριζοντίου άξονα.
Παρουσιάζονται συγκριτικές αντιπαραθέσεις των C.F.D. διαγραμμάτων και των
πειραματικών διαγραμμάτων της αποδιδόμενης ισχύος και του βαθμού απόδοσης του
οριζοντίου άξονα κοχλιωτού υδροστροβίλου σε συνάρτηση της ταχύτητας περιστροφής του
κοχλία, για διάφορες γωνίες προσανατολισμού του άξονα περιστροφής του δρομέα.
Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια μεθοδολογία συγκριτικής αντιπαράθεσης των
πειραματικών και των θεωρητικών υδροδυναμικών επιδόσεων κοχλιωτών υδροστροβίλων
οριζοντίου άξονα, εισάγοντας πέραν του κλασικού κινητικού βαθμού απόδοσης για ροές
μηδενικού φορτίου, τη χρήση αφενός ενός δεύτερου βαθμού απόδοσης, του δυναμικού
βαθμού απόδοσης που λαμβάνει υπόψη του τον στραγγαλισμό της ροής και τη δημιουργία
επαγόμενου δυναμικού φορτίου και αφετέρου ενός τρίτου βαθμού απόδοσης, του ολικού
βαθμού απόδοσης. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζεται μια απλοποιητική μέθοδος τύπου
«Black Box Με Ανάδραση» για την πρόβλεψη των υδροδυναμικών επιδόσεων κοχλιωτών
υδροστροβίλων οριζοντίου άξονα αλλά και μια αλγοριθμική μέθοδος υπολογιστικής
πρόβλεψης υδροενεργειακών επιδόσεων κοχλιωτών υδροστροβίλων οριζοντίου Άξονα
τύπου «Βlack Βox Χωρίς Ανάδραση», με συνδρομή των τεχνασμάτων της ισοδύναμης
οπισθέλκουσας και της σύζευξης υπολογισμών στο οριζόντιο διαπτερυγιακό επίπεδο S1 και
στο κατακόρυφο μεσημβρινό επίπεδο S2.
Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται μια οικονομοτεχνική και υπολογιστική θεώρηση των
Αρχιμήδειων Κοχλιωτών Υδροστροβίλων Οριζοντίου Άξονα ακολουθώντας μια
υπολογιστική μεθοδολογία, που δομήθηκε στη βάση: α) των πειραματικών δοκιμών των
εργαστηριακών μετρήσεων και αποτελεσμάτων από την λειτουργία του καινοτόμου
κοχλιωτού υδροστρόβιλου οριζοντίου άξονα, που θεωρήθηκε ως το πειραματικό
πειραματικό πρότυπο/μοντέλο, με προσδιορισμό των χαρακτηριστικών του ονομαστικού
σημείου του, β) της θεωρίας ομοιότητας και γ) μελλοντικών πρωτοτύπων Κοχλιωτών
Υδροστροβίλων Οριζοντίου Άξονα. Γίνεται μια οικονομοτεχνική αξιολόγηση δύο
διαφορετικών σεναρίων εγκατάστασης Μικρών Υδροηλεκτρικών Έργων με κοχλιωτούς
υδροστροβίλους οριζοντίου άξονα μη διασυνδεδεμένων και διασυνδεμένων στο κεντρικό
ηλεκτρικό δίκτυο που θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν με ηλεκτρικό ρεύμα μία εξοχική
κατοικία.
Το όγδοο και τελευταίο κεφάλαιο αναφέρεται στα βασικά σημεία που συνοψίζουν και
ολοκληρώνουν τη Διδακτορική Διατριβή για τη συμβολή και συνεισφορά στην έρευνα και
στην επιστήμη, περιγράφοντας τις περαιτέρω προοπτικές και σκιαγραφώντας το πλαίσιο
για μελλοντικές έρευνες και εφαρμογές.
(EL)
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
