An approach for the desig of diffuser-augmented hydro and wind turbines using the blade element momentum

It is known surrounding a turbine with diffuser may significantly increase its power. This effect has attained considerable attention as it shows theoretically the possibility of achieving a power coefficient about 2 times greater than an ordinary turbine. However, the effect of the diffuser efficiency has not been implemented into blade element momentum yet, as well as the use of minimum pressure coefficient criterion to avoid cavitation during the optimization of the hydrokinetic chord along the blade. Hence, this work presents a novel approach to design diffuser-augmented hydro turbines considering the diffuser efficiency. Based on the blade element momentum, new expressions for the axial induction factor and thrust are obtained. In addition, both efficiency and load generated on a diffuser are considered to the extension of existing formulation to determine power coefficient in cases where diffuser losses are taken into account through efficiency (ηd) and area ratio (β). To assess the proposed model, a comparative evaluation of two different diffusers (flanged conical diffuser and flanged lens diffuser) is performed. Numerical and theoretical results are compared for a shrouded turbine equipped with 83% efficiency diffuser. The relative difference observed for the maximum power coefficient between the proposed model and an actuator disk model with diffuser is about 5.3%. For the hydro turbine with flanged conical diffuser, the mass flow rate is about 20% higher than for a bare turbine, while for the turbine with flanged lens diffuser the increase is only 2.4%. Also, for the flanged conical diffuser the power is increased by 53%. Furthermore, it is observed that the proposed blade element momentum with diffuser achieved good agreement with the numerical model, providing improved results compared to other models available in the literature. The optimization model of hydrokinetic chord shows relevant results in relation to the prevention of cavitation.Estudos têm demonstrado que é possível aumentar significativamente a potência gerada por uma turbina quando se utiliza um difusor. Este efeito desperta interesse, pois mostra teoricamente a possibilidade de atingir um coeficiente de potência cerca de 2 vezes maior que uma turbina comum. No entanto, o efeito da eficiência do difusor não havia sido implementado até então na Teoria do Elemento de Pá (BEM), bem como a otimização de rotores eólicos e hidrocinéticos sob efeito difusor. Assim, este trabalho apresenta uma nova abordagem matemática destinada ao projeto de turbinas hidrocinéticas considerando o efeito difusor. Com base no BEM, novas expressões para o fator de indução axial e empuxo foram obtidas, nas quais tanto a eficiência quanto o carregamento gerado sobre um difusor foram considerados, além da utilização do critério do coeficiente mínimo de pressão para evitar cavitação no processo de otimização da corda de um rotor hidrocinético. Uma extensão da formulação existente na literatura para o cálculo do coeficiente de potência a casos em que a perda no difusor é considerada através da inclusão dos termos de eficiência () e razão de área (β) no balanço de energia para turbinas ideais em dutos foi desenvolvida. Para avaliar o modelo proposto, um estudo comparativo de dois difusores diferentes (difusor cônico-flangeado e difusor lenteflangeado) foram realizados. Avaliações para turbina e difusor foram realizadas usando dados experimentais disponíveis na literatura. Resultados numéricos e teóricos foram comparados para uma turbina equipada com um difusor de eficiência 83%. A diferença relativa observada para o coeficiente de potência máximo entre o modelo proposto e um modelo de disco atuador com difusor foi de cerca de 5,3%. Para a turbina hidrocinética com difusor cônico-flangeado, a vazão mássica é cerca de 20% maior do que para uma turbina de escoamento livre, enquanto que para a turbina com difusor lente-flangeado, o aumento foi de apenas 2,4%. Além disso, para o difusor cônico-flangeado, a potência foi aumentada em 53%. Observou-se que o modelo do elemento de pá proposto com difusor obteve boa concordância com o modelo numérico, proporcionando melhores resultados em comparação com outras abordagens disponíveis na literatura. O modelo de otimização de corda proposto demonstra resultados satisfatórios em relação a prevenção da cavitação