Ανάλυση υδροστροβίλου Francis : συνεισφορά στην παραγωγή ενέργειας από υδροηλεκτρικό έργο
| datacite.contributor.RelatedPerson | Παπαδόπουλος, Πολύκαρπος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Σουλιώτης, Εμμανουήλ | |
| datacite.contributor.Supervisor | Βούρος, Ανδρέας | |
| dc.contributor.author | Καραφυλάκης, Μιχαήλ | |
| dc.contributor.other | Karafylakis, Michail | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-06T09:22:08Z | |
| dc.date.available | 2026-07-06T09:22:08Z | |
| dc.date.issued | 2026-07-03 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την πειραματική ανάλυση υδροστροβίλου τύπου Francis εργαστηριακής κλίμακας, με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης της γωνίας των οδηγών πτερυγίων του στάτη και της παροχής νερού στις βασικές ενεργειακές και λειτουργικές παραμέτρους του μηχανήματος. Επιδιώκεται η πειραματική επαλήθευση θεμελιωδών αρχών της θεωρίας των υδροστροβίλων, συμπεριλαμβανομένης της εξίσωσης Euler για στροβιλομηχανές και της ανάλυσης τριγώνων ταχυτήτων. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από έναν υδροστρόβιλο Francis με ρυθμιζόμενα οδηγά πτερύγια στάτη, φυγοκεντρική αντλία κίνησης με ηλεκτρικό κινητήρα, παροχόμετρο περιστρεφόμενου πλωτήρα, μανόμετρα Bourdon, φωτοηλεκτρικό στροφόμετρο και πέδη τύπου Prony. Οι άμεσες μετρήσεις περιλάμβαναν τις στροφές του άξονα (n_rpm), την παροχή νερού (Q) και την αντίσταση της πέδης Prony, ενώ οι έμμεσες ποσότητες που υπολογίστηκαν μέσω αντίστοιχων σχέσεων ήταν η μηχανική ισχύς (P_m), ισχύς ρευστού (P_flow) και βαθμός απόδοσης (n). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε πέντε θέσεις πτερυγίων (fully open, 2/3 open, 1/2 open, 1/3 open, fully closed) και σε εννέα τιμές παροχής (Q = 2.5 έως 4.5 m³/h με βήμα 0.25 m³/h), με μεταβολή της αντίστασης Prony (από 0 έως 200 g με βήμα 20 g). Τα πειραματικά αποτελέσματα κατέδειξαν ότι η γωνία των πτερυγίων αποτελεί καθοριστική παράμετρο λειτουργίας του υδροστροβίλου. Η μετάβαση από την πλήρως ανοιχτή στην πλήρως κλειστή θέση οδηγεί σε αύξηση των αναπτυσσόμενων στροφών, της μέγιστης μηχανικής ισχύος και της δυνατότητας παραλαβής υψηλότερων φορτίων Prony. Το εύρημα αυτό ερμηνεύεται θεωρητικά μέσω της αύξησης της περιφερειακής συνιστώσας απόλυτης ταχύτητας εισόδου (c_u1) κατά Euler, λόγω της εντονότερης εκτροπής της ροής στην κλειστή θέση. Αντίστοιχα, η αύξηση της παροχής, υπό σταθερή γωνία πτερυγίων, οδηγεί σε μονότονη αύξηση των στροφών, σε πλήρη συμφωνία με τη θεωρητική προβλεψιμότητα μέσω της μεσημβρινής ταχύτητας ροής. Καταλήγουμε στις τιμές του βαθμού απόδοσης για τις διάφορες περιπτώσεις και συγκεκριμένα διαπιστώνουμε από την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων πως αν και η θέση fully closed εμφανίζει πιο σταθερές τιμές n κατά τις αλλαγές παροχής και Prony, στη θέση fully open προκύπτει ο μεγαλύτερος βαθμός απόδοσης (~0.60) για Q = 3.25 m³/h και αντίσταση Prony = 20 g. Οι απόλυτες τιμές βαθμού απόδοσης παραμένουν χαμηλότερες σε σχέση με βιομηχανικές εγκαταστάσεις, ως αναμενόμενη συνέπεια των απωλειών κλίμακας της εργαστηριακής διάταξης όμως προκύπτει το συμπέρασμα πως ανάλογα το ζητούμενο αποτέλεσμα (π.χ. υψηλή P_m ή n) είναι σημαντική η σωστή επιλογή γωνίας πτερυγίων και παροχής. | |
| dc.description.translatedabstract | The present thesis addresses the experimental analysis of a laboratory-scale Francis hydraulic turbine, with the objective of investigating the effect of the guide vane angle of the stator and the water flow rate on the fundamental energetic and operational parameters of the machine. The study aims at the experimental verification of foundational principles of hydraulic turbine theory, including the Euler equation for turbomachinery and the velocity triangle analysis. The experimental setup consists of a Francis turbine with adjustable stator guide vanes, a centrifugal pump driven by an electric motor, a rotameter-type flowmeter, Bourdon pressure gauges, a photoelectric tachometer, and a Prony brake. Direct measurements comprised the shaft rotational speed (n_rpm), the water flow rate (Q), and the Prony brake resistance, while the indirect quantities which were derived through the corresponding analytical relations were the mechanical power (P_m), the fluid power (P_flow), and the hydraulic efficiency (n). Measurements were conducted across five guide vane positions (fully open, 2/3 open, 1/2 open, 1/3 open, fully closed) and nine flow rate values (Q = 2.5 to 4.5 m³/h in increments of 0.25 m³/h), with the Prony brake resistance varied from 0 to 200 g in increments of 20 g. The experimental results demonstrated that the guide vane angle constitutes a decisive operational parameter of the turbine. The transition from the fully open to the fully closed position leads to an increase in developed rotational speed, maximum mechanical power output, and capacity to sustain higher Prony brake loads. This finding is theoretically interpreted through the increase of the tangential component of the absolute inlet velocity (c_u1) according to the Euler formulation, owing to the more abrupt flow deflection induced in the closed position. Correspondingly, an increase in flow rate under constant guide vane angle results in a monotonic increase in rotational speed, in full accordance with theoretical predictions based on the meridional flow velocity. Regarding hydraulic efficiency, the visualization of results reveals that, although the fully closed position exhibits more stable efficiency values across varying flow rates and brake loads, the highest efficiency (~0.60) is attained in the fully open position at Q = 3.25 m³/h and a Prony resistance of 20 g. The absolute efficiency values remain lower than those of industrial installations, as an expected consequence of scale losses inherent to the laboratory setup. Nevertheless, the results lead to the conclusion that the appropriate selection of guide vane angle and flow rate is of critical importance depending on the operational objective — whether that be maximization of mechanical power output or hydraulic efficiency. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/32301 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.subject | Υδροστρόβιλος Francis | |
| dc.subject | Οδηγά πτερύγια στάτη | |
| dc.subject | Βαθμός απόδοσης | |
| dc.subject | Εξίσωση Euler | |
| dc.subject | Βέλτιστο σημείο λειτουργίας | |
| dc.subject.alternative | Francis turbine | |
| dc.subject.alternative | Stator guide vanes | |
| dc.subject.alternative | Hydraulic efficiency | |
| dc.subject.alternative | Euler equation | |
| dc.subject.alternative | Best efficiency point | |
| dc.title | Ανάλυση υδροστροβίλου Francis : συνεισφορά στην παραγωγή ενέργειας από υδροηλεκτρικό έργο | |
| dc.title.alternative | Analysis of Francis hydroturbine : contribution to energy production on a hydroelectric power plant |