zes - mitgliederversammlung 17.6. 2004 university of stuttgart institute of fluid mechanics and...

ZES - Mitgliederversammlung17.6. 2004

University of StuttgartInstitute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, GermanyIHS

Simulation von Strömungs-Struktur-Wechselwirkungen

am Beispiel von Wasserturbinen(Fluid – Structure Interaction)

Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen (IHS)

Staatliche Materialprüfanstalt (MPA)



ProblemstellungWasserturbinen sind zunehmend höheren dynamischen Belastungen ausgesetzt:

• Langer Off-Design-Betrieb,

• Höhere Lastzyklen,

• Kostenreduktion (schlankere Bauweise).

=> Strömungsangeregte Schwingungen



Ziel des Projektes

• Erstellen von Simulationstools (Kopplung von Strömungs- und Strukturrechnungen) um Schwingungen und deren Auswirkungen vorhersagen zu können.

• Machbarkeitsstudie

Strömungssimulation Struktursimulation

InterfacesIHS MPA



Kaplan-Turbine

1. Schwingungsanregung infolge gegenseitiger Beeinflussung der Bauteile (Leitrad – Laufrad –Interaktion

2. Selbsterregte Schwingungen infolge Strömungsinstabilitäten (z. B. Karman‘sche Wirbelstrasse)



Karman‘sche Wirbelstrasse

Druckfeld

Anregende Kraft

Größere Herausforderung für die Strömungssimulation



Insel Guadeloupe

Karman‘sche Wirbelstrasse in der Natur



Anwendungsbeispiel Propellerlaufrad

1. Stationäre, Ein-Weg-Kopplung

Annahme: Periodische Strömung,nur ein Schaufelkanal wird betrachtet



2. Dynamische (selbsterregte) Schwingung

Vereinfachung: Fest eingespannter Tragflügel

Schwingungsanregung durch stumpfe Hinterkante



Problem: Resonanz

Wenn Anregungsfrequenz = Eigenfrequenz des Flügels ist => starke Schwingung

Abschätzung der Anregungsfrequenz:

2.0VfLS0

00r

L0 ... HinterkantendickeV0 ... Strömungsgeschwindigkeitf0 ... Anregungsfrequenz

bei unterschiedlichen Betriebspunkten ändert sich die Geschwindigkeit und damit die Anregung.



Eigenformen

1. Biegeschwingung: 21.8 Hz

1. Torsionsschwingung: 101.5 Hz

2. Biegeschwingung: 132.7 Hz

1. Lateralschwingung: 155.8 Hz

2. Torsionsschwingung: 304.7 Hz



Gesamtkraft [N]

-50-40-30-20-10

010203040

4.50 4.55 4.60 4.65 4.70 4.75 4.80

Zeit [s]

F_y

[N]

2.39m/s

Anregende Kraft

V=2.39m/s



fft(v_y) Spotpunkt S002

0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.901.00

0.00 10.00 20.00 30.00

2.39m/s21.78Hz

Fourier-Analyse



n13481

n7415

n13967

E inspannung



z. B. Anströmgeschwindigkeit: 11.1 m/s

=> Anregungsfrequenz: 101.5 Hz

Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit ergibt höhere Anregungsfrequenz



Zusammenfassung

• Simulationstools für gekoppelte Strömungs-Struktur-Berechnung wurden erstellt.

• Instationäre Strömungsanregungen und die daraus resultierende Verformungen und Spannungen können damit simuliert werden.

• Am Beispiel eines Tragflügels mit stumpfer Hinterkante wurden das Verhalten getestet.



Ausblick

• Anwendung auf komplexe Turbinengeometrie

• Untersuchung von Verbesserungen (z. B. Hinterkantenformen) zur Reduzierung der Anregung.



Vielen Dank für die Anschubfinanzierung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

zes - mitgliederversammlung 17.6. 2004 university of stuttgart institute of fluid mechanics and...

Documents