Performance Analysis of Wells Turbines with VIGV for Wave Energy Exploitation

Oscillating water column (OWC) systems hold significant promise for sustainable power generation. Among the various options, Wells turbines emerge as strong candidates for harnessing marine wave energy. However, they are subject to operational limitations, such as Stall and Total-drag, that reduce their optimal performance. To mitigate these phenomena, researchers have explored different techniques, including the installation of fixed guide vanes (GV) before and after the rotor. This thesis delves into the comprehensive analysis of Wells turbine behaviour and proposes a novel performance enhancement strategy. The approach involves the addition of two sets of Variable Inlet Guide Vanes (VIGV) positioned upstream and downstream of the rotor. The primary objective is to investigate the impact of VIGV on turbine performance under variable wave conditions. Starting from the turbine design, the implemented model analyses the performance of various machine configurations: the rotor with constant chord or constant solidity, with or without guide vanes. Computational Fluid Dynamics (CFD) is employed for a detailed validation of the proposed model. Through it, analyses are carried out on the rotor alone and on different configurations of the stators. Moreover, simulations of meaningful cases are performed on the complete geometry. The findings of this research suggest that the implementation of a VIGV system enhances the overall performance of the machine, confirming its viability as a valid strategy to optimize marine wave energy extraction in OWC power plants.

I sistemi basati sul principio della colonna d'acqua oscillante (OWC) rappresentano una promessa significativa per la generazione sostenibile di energia. Tra le varie opzioni, le turbine Wells si rivelano essere le candidate migliori per sfruttare l'energia delle onde marine. Tuttavia, esse sono soggette a limitazioni operative, come lo stallo e la fase di total-drag, che ne riducono le prestazioni ottimali. Per mitigare questi fenomeni, i ricercatori hanno esplorato diverse tecniche, tra cui l'incorporazione di guide fisse (GV) prima e dopo il rotore. Questa tesi approfondisce in modo esaustivo il comportamento delle turbine Wells e propone una nuova strategia per migliorarne le prestazioni. L'approccio prevede l'aggiunta di due serie di guide variabili (VIGV) posizionate a monte e a valle del rotore. L'obiettivo principale è investigare l'impatto delle VIGV sulle prestazioni della turbina sotto l'effetto di onde di diversa intensità. A partire dal dimensionamento della turbina, il modello implementato analizza le prestazioni di varie configurazioni della macchina: rotore con corda costante o solidità costante, ciascuno dei quali con o senza guide. Per convalidare il modello proposto, si ricorre all'analisi CFD (Computational Fluid Dynamics). Attraverso di essa, vengono condotte analisi sul solo rotore e su diverse configurazioni degli statori. Inoltre, vengono eseguite simulazioni di casi significativi sull'intera geometria. Le conclusioni di questa ricerca suggeriscono che l'aggiunta di un sistema VIGV migliora le prestazioni complessive della macchina, confermando la sua validità come strategia per ottimizzare l'estrazione di energia dalle onde marine nel contesto di un impianto OWC.