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Computational parametric analysis of the design of cross-flow turbines under constraints

Résumé

The cross-flow turbine is an attractive technology for small-scale hydropower generation thanks to its low capital cost and relatively high efficiency even under partial discharge operating conditions. It has been proposed that this kind of turbine can be manufactured from standard steel pipe sections given its simple geometry, an alternative that would further decrease the turbine's capital cost compared to highly engineered cross-flow designs. This article explores the trade-offs encountered during the design of cross-flow turbines under the constrains imposed by the discrete set of dimensions available for commercial steel pipes. First, the computational model is presented, analyzed in terms of its convergence behavior, and validated with experimental data. Then, a parametric analysis is performed to understand the relative importance of the design variables and their optimum value in regard to the turbine efficiency. Based on the design guidelines derived from the parametric analysis, an example cross-flow turbine design is presented and thoroughly characterized, demonstrating that it is possible to engineer a cross-flow turbine of competitive efficiency out of commercial steel pipes. These guidelines may encourage the use of cross-flow turbines as an appropriate technology for off-grid regions. (c) 2020 Published by Elsevier Ltd.

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Turbine
vignette|alt=|Rotors de turbines à vapeur de la centrale nucléaire de Philippsburg. Une turbine est un dispositif rotatif convertissant partiellement l'énergie interne d'un fluide, liquide (comme l'eau) ou gazeux (vapeur, air, gaz de combustion), en énergie mécanique au moyen d'aubes disposées sur un arbre tournant à grande vitesse. L'énergie entrante du fluide est caractérisée notamment par sa vitesse, sa pression, son enthalpie.
Turbine hydraulique
Une turbine hydraulique est une machine tournante qui produit une énergie mécanique à partir d'eau en mouvement (cours d'eau ou marée) ou potentiellement en mouvement (barrage). Elle constitue le composant essentiel des centrales hydroélectriques destinées à produire de l'électricité à partir d'un flux d'eau. Elle a été inventée par Benoît Fourneyron en 1832, qui installa sa première machine à Pont-sur-l'Ognon. vignette|droite|Turbine hydraulique et générateur électrique, vue en coupe.
Turbine Francis
vignette|Coupe d'une turbine Francis. Dans la volute en forme de spirale, l'eau pénètre radialement dans la turbine et en sort axialement au centre vers le bas. Une turbine Francis est une turbine hydraulique de type « à réaction ». Elle est adaptée à des hauteurs de chute moyennes (de ), pour des puissances et débits moyens ou forts (tel le barrage d'Itaipu), à savoir de quelques kilowatts à plusieurs centaines de mégawatts pour des débits de /s.
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