Výpočet vlastních frekvencí a tvarů kmitů lopaty oběžného kola Kaplanovy turbíny ve vodě

Podobné dokumenty
MOŽNOSTI PREDIKCE DYNAMICKÉHO CHOVÁNÍ LOPAT OBĚŽNÝCH KOL KAPLANOVÝCH A DÉRIAZOVÝCH TURBÍN.

Výpočet kmitání oběžného kola Francisovy turbíny vynuceného tlakovými pulzacemi ve vodním prostředí

VYUŽITÍ PROGRAMU ANSYS PRO PREDIKCI VLASTNÍCH FREKVENCÍ A TVARŮ KMITU VODNÍCH STROJŮ

NAPĚŤOVÁ A DEFORMAČNÍ ANALÝZA MECHANISMU OBĚŽNÉHO KOLA KAPLANOVY TURBÍNY VODNÍ ELEKTRÁRNY GABČÍKOVO

ANALÝZA NAPĚTÍ A DEFORMACÍ PRŮTOČNÉ ČOČKY KLAPKOVÉHO RYCHLOUZÁVĚRU DN5400 A POROVNÁNÍ HODNOCENÍ ÚNAVOVÉ ŽIVOTNOSTI DLE NOREM ČSN EN A ASME

ITÍ PROGRAMU ANSYS PRO PREDIKCI VLASTNÍCH FREKVENCF REKVENCÍ A TVARŮ KMITU VODNÍCH. Vlastislav Salajka. Petr Hradil

Analýza seizmické odezvy vysoké panelové budovy

Zvýšení spolehlivosti závěsného oka servomotoru poklopových vrat plavební komory

Numerické řešení proudění stupněm experimentální vzduchové turbíny a budících sil na lopatky

MODÁLNÍ ANALÝZA ZVEDACÍ PLOŠINY S NELINEÁRNÍ VAZBOU

Martin Červenka, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

Libor Kasl 1, Alois Materna 2

Mechanika s Inventorem

Stanovení kritických otáček vačkového hřídele Frotoru

Aleš NEVAŘIL 1 ÚČINEK PŖETRŅENÍ LANA KOTVENÉHO STOŅÁRU THE EFFECT OF CABLE FAILURE ON THE GUYED MAST

HODNOCENÍ PEVNOSTI A ŽIVOTNOSTI ŠROUBŮ DLE NORMY ASME BPV CODE, SECTION VIII, DIVISION 2

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

Tvorba výpočtového modelu MKP

DYNAMICKÝ EXPERIMENT NA SADĚ DŘEVĚNÝCH KONZOLOVÝCH NOSNÍKŮ

VLIV KMITÁNÍ TRUBKY NA PŘESTUP TEPLA V KANÁLU MEZIKRUHOVÉHO PRŮŘEZU

III. MKP vlastní kmitání

Název: Měření rychlosti zvuku různými metodami

Ing. Václav Losík. Dynamický výpočet otočného sloupového jeřábu OS 5/5 MD TECHNICKÁ ZPRÁVA

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Náhradní ohybová tuhost nosníku

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava číslo 1, rok 2008, ročník VIII, řada stavební článek č.

Programové systémy MKP a jejich aplikace

Z. Čada, P. Hradil, V. Kanický, V. Salajka

Parametrická studie vlivu vzájemného spojení vrstev vozovky

TEPLOTNÍHO POLE V MEZIKRUHOVÉM VERTIKÁLNÍM PRŮTOČNÉM KANÁLE OKOLO VYHŘÍVANÉ NEREZOVÉ TYČE

VLIV OKRAJOVÝCH PODMÍNEK NA VÝSLEDEK ZKOUŠKY TEPELNÉHO VÝKONU SOLÁRNÍHO KOLEKTORU

Podrobná statická analýza keramické stropní konstrukce

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

VLIV TUHOSTI PÍSTNÍHO ČEPU NA DEFORMACI PLÁŠTĚ PÍSTU

Numerická simulace přestupu tepla v segmentu výměníku tepla

PRAVDĚPODOBNOSTNÍ PŘÍSTUP ÚPRAVY SPEKTER ODEZVY SEIZMICKÉHO DĚJE THE PROBABILISTIC APPROACH OF SEISMIC RESPONSE SPECTRA MODIFICATION

Dřevo hoří bezpečně chování dřeva a dřevěných konstrukcí při požáru

Stabilita v procesním průmyslu

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

APLIKACE SIMULAČNÍHO PROGRAMU ANSYS PRO VÝUKU MIKROELEKTROTECHNICKÝCH TECHNOLOGIÍ

DIPLOMOVÁ PRÁCE OPTIMALIZACE MECHANICKÝCH

Studentská tvůrčí činnost 2009

TAH/TLAK URČENÍ REAKCÍ

Stavební fakulta Katedra mechaniky. Jaroslav Kruis, Petr Štemberk

5 Analýza konstrukce a navrhování pomocí zkoušek

Mechanika s Inventorem

Porovnání vypočtených a naměřených vlastních frekvencí kolesového rypadla SchRs 1320

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Výpočtové modelování deformačně-napěťových stavů ve zdravých a patologických kyčelních kloubech

Únosnost kompozitních konstrukcí

Využití sendvičové struktury pro stojanové těleso obráběcího stroje

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŢENÝRSTVÍ cvičení 8

CFD SIMULACE VE VOŠTINOVÉM KANÁLU CHLADIČE

VÝPOČET VLASTNÍ FREKVENCE VYSOKOTLAKÉHO SYSTÉMU

Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

Tlumené kmitání tělesa zavěšeného na pružině

Návod k použití programu pro výpočet dynamické odezvy spojitého nosníku

Výpočet sedání kruhového základu sila

VÝPOČET DYNAMICKÝCH VLASTNOSTÍ KOLESOVÉHO RYPADLA SchRs 1320/4x30. COMPUTATION OF DYNAMIC CHARACTERISTIC OF THE BUCKET WHEEL EXCAVATOR SchRs 1320/4x30

Název společnosti: Vypracováno kým: Telefon: Datum: Pozice Počet Popis. 1 Čerpadlo má rotor zapouzdřený izolační membránou,

Sledování stavu zubového čerpadla měřením akustické. emise

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE DYNAMIKA ROTUJÍCÍCH SYSTÉMŮ

CFD simulace teplotně-hydraulické charakteristiky na modelu palivové tyči v oblasti distanční mřížky

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŢENÝRSTVÍ cvičení 9

Pozice Počet Popis Cena položky

MODIFIKOVANÝ KLIKOVÝ MECHANISMUS

Určení hlavních geometrických, hmotnostních a tuhostních parametrů železničního vozu, přejezd vozu přes klíny

Realizace omezovače kmitání na lávce v areálu Škody Auto Mladá Boleslav

MOMENT SETRVAČNOSTI 2009 Tomáš BOROVIČKA B.11

Příloha-výpočet motoru

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava číslo 1, rok 2009, ročník IX, řada stavební článek č.3

Plánování experimentu

Fakulta strojního inženýrství Ústav mechaniky těles, biomechaniky a mechatroniky

ANALÝZA VLASTNOSTÍ KÓNICKÉHO PIEZOELEKTRICKÉHO SNÍMAČE AKUSTICKÉ EMISE

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava číslo 2, rok 2013, ročník XIII, řada stavební článek č.

DIAGNOSTICS OF A HYDRAULIC PUMP STATUS USING ACOUSTIC EMISSION

ZATÍŽENÍ STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍ

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - Kolokvium Božek 2012, Roztoky -

PROCESNÍ INŽENÝRSTVÍ cvičení 5

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

OPTIMALIZACE STŘEDOTLAKÉHO DIFUZORU PARNÍ TURBÍNY OPTIMIZATION OF IP DIFFUSER IN THE STEAM TURBINE

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Nelineární problémy a MKP

5. Únava Zatížení při únavě, Wöhlerův přístup a lomová mechanika, únosnost, vliv vrubů, kumulace poškození, přístup podle Eurokódu.

CFD ANALÝZA CHLAZENÍ MOTORU

Modelování proudění vzdušiny v elektroodlučovači ELUIII

Vliv změny geometrie mostní konstrukce a tvaru zábradlí na účinky větru

Mechanika zemin a zakládání staveb, 2 ročník bakalářského studia. Zemní tlaky

POPIS VYNÁLEZU K AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (Bl) (И) ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ REPUBLIKA ( 1S ) (SI) Int Cl* G 21 G 4/08

Identifikace materiálových parametrů Vybraných modelů plasticity

Systém pro zjišt ování zbytkové životnosti lopatek parních turbín

Abstrakt: Autor navazuje na svůj referát z r. 2014; pokusil se porovnat hodnoty extrémů některých slunečních cyklů s pohybem Slunce kolem barycentra

Části a mechanismy strojů 1 KKS/CMS1

Experimentální ověření možností stanovení příčné tuhosti flexi-coil pružin

VÝPOČTOVÝ MODEL ŘETĚZOVÉHO POHONU JAKO MODUL VIRTUÁLNÍHO MOTORU CHAIN DRIVE COMPUTATIONAL MODEL AS VIRTUAL ENGINE MODULE

NELINEÁRNÍ ODEZVA ŽELEZOBETONOVÉ RÁMOVÉ KONSTRUKCE NA SEIZMICKÉ ZATÍŽENÍ

11. Zásobníky, nádrže, potrubí Zatížení, konstrukce stěn a podpor. Návrh upravuje ČSN EN bunkry sila

České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební. Projekt: Využití pokročilého modelování konstrukcí v magisterském studiu

9 OHŘEV NOSNÍKU VYSTAVENÉHO LOKÁLNÍMU POŽÁRU (řešený příklad)

Transkript:

Výpočet vlastních frekvencí a tvarů kmitů lopaty oběžného kola Kaplanovy turbíny ve vodě ANOTACE Varner M., Kanický V., Salajka V. Uvádí se výsledky studie vlivu vodního prostředí na vlastní frekvence lopaty oběžného kola Kaplanovy turbíny, speciálně pak vliv radiální vůle mezi lopatou a stěnou komory oběžného kola. Porovnává se snížení vlastních frekvencí vlivem interakce s vodním prostředím stanovené výpočtem s experimentem. ABSTRACT The paper presents some results of the FEM - analysis of water environment effects on natural frequencies of Kaplan - type turbine runner blades. Particularly the effects of blade - runner chamber wall radial clearancies have been analysed. The effects of water environment on natural frequencies of runner blades are compared with the results of experiments. 1. Úvod Životnost lopaty oběžného kola (OK) Kaplanovy turbiny je vedle únavových vlastností lopaty určena především odezvou lopaty na časově proměnlivé účinky interagujícího vodního prostředí za provozu turbíny. Pro predikci reálného dynamického chování lopaty je nutno stanovit vlastní frekvence a vlastní tvary kmit ů lopaty ve vodě. V minulosti byla tato úloha řešena s použitím experimentálně stanovených korekčních součinitelů nebo výpočtem vlastních frekvencí a tvarů kmitů metodou konečných prvků s uvážením spolukmitající hmotnosti vody. Spolukmitající hmotnost vody byla určována s použitím elektroanalogie pro danou geometrii lopaty. V současné době řešení odezvy lopaty ve vodě umožňuje aplikace profesionálních programových systémů na bázi MKP (např. ANSYS, SYSTUS, COSMOS) [1], [2], [3]. V dalším se uvádějí výsledky studie vlivu neproudícího vodního prostředí na vlastní frekvence a vlastní tvary kmitu lopaty OK, speciálně pak vliv radiální vůle (mezery) mezi lopatou OK a stěnou komory OK. Pro obvyklou velikost vůle se výsledky výpočtu porovnávají s výsledky modelového experimentu [4]. 2. Výpočtový model a výsledky výpočtu S použitím programového systému ANSYS verze 5.0A bylo řešeno vlastní kmitání lopaty OK ve vakuu a ve vodě. Lopata z korozivzdorné oceli byla modelována prostorovými osmiuzlovými konečnými prvky (SOLID45). Model byl vytvořen dle daných souřadnic povrchu lopaty s podrobným tvarováním přechodové oblasti lopaty do čepu, přičemž rozměry lopaty byly redukovány na jednotkový průměr oběžného kola (obr. 1). Předpokládá se vetknutí čepu do tuhého nehybného náboje oběžného kola. Model sestává z 1428 prvků lokalizovaných 718 uzly a má 1524 stupňů volnosti. V tab. 1 je uvedeno patnáct vypočtených vlastních frekvencí lopaty ve vakuu. Prvních šest vlastních tvarů kmitů je zobrazeno na obr. 2 až 5.

Při řešení vlastního kmitání lopaty v kapalině byla modelována oblast kapaliny nad i pod lopatami OK s ohraničením tuhou nehybnou válcovou plochou i = 1 f i = 183,982 Hz i = 2 f i = 241,006 Hz Obr. 1 Obr. 2

Obr. 3 Obr. 4 i = 3 f i = 323,033 Hz

i = 4 f i = 430,431 Hz Tab. 1 Obr. 5 Vlastní frekvence lopaty [Hz] číslo ve vakuu v kapalině i bez vůle s vůlí 2 mm 5 mm 10 mm 50 mm 1 183,98 82,45 91,97 97,22 100,76 107,96 2 241,01 126,87 136,60 142,65 147,07 156,32 3 323,03 193,48 203,42 209,43 213,56 221,44 4 430,43 278,60 289,37 295,35 297,26 297,33 5 482,68 298,33 298,30 298,89 301,31 308,55 6 597,42 320,00 328,61 332,77 335,21 339,67 7 628,01 418,16 428,73 435,79 440,76 449,18 8 757,70 502,87 512,77 517,97 521,20 528,65 9 818,71 572,23 578,94 583,43 586,52 591,93 10 861,08 598,55 607,12 611,79 614,71 619,37 11 965,14 622,15 637,17 645,80 650,64 654,50 12 1054,73 639,43 645,08 648,71 651,43 659,43 13 1211,59 715,83 725,95 732,51 736,94 744,05 14 1253,07 810,97 824,33 832,60 838,06 846,24 15 1403,27 910,29 926,08 934,60 937,57 938,45 (stěny komory OK a savky). V daném případě nebylo nutné modelovat úplné oběžné kolo a bylo využito rotační symetrie. Kapalinová oblast nad i pod lopatou - modelovaná osmiuzlovými prvky FLUID30 - má pak tvar válcových segmentů (obr. 1). Při kmitání v kapalině se lopaty oběžného kola vzájemně ovlivňují. Zjednodušeně byla zavedena podmínka rovnosti tlaků v odpovídajících uzlech na rozhraní válcových segmentů příslušných sousedním lopatám. V úrovních z = -

0,98 m a z = 1,53 m se předpokládá, že amplitudy tlaků jsou dostatečně malé a zavádí se okrajová podmínka nulového tlaku. Kapalinová oblast sestává z 4204 prvků s hustotou 1000 kg.m -3. Rychlost zvuku v kapalině se uvažuje hodnotou 1432 m.s -1. Úplný výpočtový model sestává z 5632 prvků s 3404 uzly a má 4015 stupňů volnosti. V tab. 1 je uvedeno patnáct vypočtených vlastních frekvencí. Pro analýzu vlivu radiální vůle mezi lopatou OK a komorou OK byl výpočtový model doplněn o další kapalinové prvky. Tento model sestává z 5902 prvků a 3708 uzlů s 4260 stupni volnosti. Šest nejnižších vlastních tvarů kmitů pro případ radiální vůle 5 mm jsou zobrazeny na obr. 6 až 11. Závislost vlastních frekvencí lopaty na velikosti radiální vůle je zobrazena na obr. 12. i = 1 f i = 97,223 Hz Obr. 6 i = 2 f i = 142,651 Hz Obr. 7

i = 3 f i = 209,425 Hz Obr. 8 i = 4 f i = 295,352 Hz Obr. 9 i = 5 f i = 298,888 Hz Obr. 10

i = 6 f i = 332,771 Hz Obr. 11 550 500 8 450 vlastní frekvence [Hz] 400 350 300 250 200 150 100 50 7 6 5 4 3 2 1 0-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 radiální vůle / průměr OK [1E-3] Obr. 12 3. Srovnání hodnot součinitelů vlivu vodního prostředí na vlastní frekvence stanovených výpočtem a experimentálně. Součinitelé vlivu vody ϕ i, i = 1,2,3,... na vlastní frekvence f i lopat (OK) jsou dány poměrem: ϕ i = f i voda / f i, kde f i voda je i-tá vlastní frekvence ve vodním prostředí určená výpočtem resp. experimentálně, f i je i-tá vlastní frekvence ve vakuu resp. ve vzduchu určená výpočtem resp. experimentálně. Součinitelé vlivu vodního prostředí pro pět nejnižších tvarů kmitu určené výpočtem a experimentálně na modelu oběžného kola

[4] a jejich poměrné odchylky jsou uvedeny v tabulce 2; vliv vzduchu na kmitání lopat je zanedbatelný a proto nebyl při výpočtu součinitelů uvažován. Tab. 2 i 1 2 3 4 5 výpočet ϕ i 0,474 0,547 0,614 0,659 0,618 experiment ϕ i 0,467 0,554 0,608 0,637 0,650 poměrná odchylka [%] 1,47-1,20 0,98 3,34-5,18 Výpočet i experimenty byly provedeny pro radiální vůli mezi lopatou a komorou oběžného kola s velikostí 0,1 % průměru oběžného kola. Poměrné odchylky jsou malé; střední hodnota poměrných odchylek činí 0,13 %. 4. Závěr Aplikace profesionálního systému programu MKP - ANSYS umožňují analýzu vlastního kmitání lopaty OK Kaplanovy turbiny ve vodě s radiální vůlí mezi lopatou oběžného kola a stěnou komory oběžného kola. Interakce lopaty s obklopujícím vodním prostředím způsobuje snížení vlastních frekvencí lopaty, vlastní tvary kmitů se mění nevýznamně. Zvětšování radiální vůle způsobuje zvětšení vlastních frekvencí. Výsledky srovnání součinitelů vlivu neproudícího vodního prostředí na vlastní frekvence lopat oběžných kol Kaplanových turbin určené výpočtem a experimentálně potvrzují věrohodnost vypočítaných hodnot vlastních frekvencí lopat. Literatura [1] Kanický V., Rohovský K.: Teorie a praxe seismických výpočtů nádrží. Brno, KSB, 1986 [2] ANSYS User s Manual for Revision 5.0, Volume I - IV, Swanson Analysis System, Inc., Houston 1992 [3] Novotný J., Salajka V.: Analýza interakce kapaliny a tělesa programovým systémem ANSYS. Zpráva grantového projektu GA/103/93/2012. Brno, prosinec 1993, 58 stran. [4] Půlpitel L.: Měření na dynamickém modelu Kaplanovy turbiny, VZ č.: 4 VUM 9962-158, ČKD Blansko, Blansko 1989 Autoři Ing. Miroslav Varner, ČKD Blansko, Gellhornova 1, 678 18 Blansko, tel.: 0506-402023, fax 0506-54060. Doc. Ing. Viktor Kanický, CSc., Kancelář dynamických výpočtů, Hoblíkova 13, 613 000 Brno, tel.-fax: 05-572697. Doc. Ing. Vlastislav Salajka, CSc., Ústav stavební mechaniky, Fakulta stavební, VUT v Brně, Veveří 95, 662 37 Brno.