MOŽNOSTI PREDIKCE DYNAMICKÉHO CHOVÁNÍ LOPAT OBĚŽNÝCH KOL KAPLANOVÝCH A DÉRIAZOVÝCH TURBÍN. Mroslav VARNER, Vktor KANICKÝ, Vlastslav SALAJKA ČKD Blansko Strojírny, a. s. Anotace Uvádí se výsledky teoretckých prací zaměřených na predkování dynamckého chování lopat oběžných kol Kaplanových a Dérazových turbn. Výsledky výpočtů se porovnávají s parametry kmtání lopat stanovených expermentálně. Nejstota predkce frekvencí kmtání lopat oběžných kol se standardní úrovní návrhu za běžných provozních podmínek nepřesahuje 8% z vypočítaných hodnot vlastních frekvencí v neproudící vodě. Úvod Stanovení parametrů kmtání lopat oběžných kol Kaplanových a Derazových turbín je nezbytné pro posouzení jejch bezpečnost vůč únavovému porušování. V současné době je možno počítat parametry kmtání lopat s uvážením obklopující neproudící kapalny. Řešení parametrů kmtání lopat v proudící kapalně, tj. složtého problému hydroelastcty, je v konstrukční prax realzovatelné jako řešení přblžné. Toto přblžné řešení problému, tj. stanovení odezvy na zatížení proudící vodou, spočívá v superpozc odezvy na zatížení př vnuceném přetvoření lopaty v neomezeném neproudícím vodním prostředí dané hustoty a odezvy na spojté hydrodynamcké zatížení explctně defnované pro vodu obtékající nepřetvořenou lopatu v kldu. Přístupnost expermentálních poznatků o kmtání lopat v proudící vodě byla důvodem, který nás vedl k hodnocení odezvy lopaty na hydrodynamcké zatížení nženýrským přístupem. Tento přístup je založen na hodnocení vlvu hydrodynamckých sl na součntele snížení frekvencí rezonančního kmtání vypočítaného metodou konečných prvků pro případ neproudící vody. Vlv hydrodynamckých sl na kmtání lopat je explctně zahrnut př provozu stroje nebo př expermentálních studích kmtání lopat zavřeného oběžného kola v neproudícím vodním prostředí. Hodnocení vlvu hydrodynamckých sl na kmtání lopat lze tedy provést porovnáním výsledků výpočtu kmtání lopat v neproudící vodě s výsledky měření za provozu a s výsledky expermentálních studí kmtání lopat zavřeného oběžného kola. Vlastní kmtání oběžných lopat v neproudící vodě Interakce konstrukce s vodním prostředím má pro řešení problematky dynamckého namáhání lopat oběžných kol domnantní význam. Inercální účnky urychlovaných částc kapalny na kmtající lopatu se vyjadřují přídavnou hmotností kapalny. Profesonální programové systémy na báz metody konečných prvků umožňují zahrnout přídavnou hmotnost kapalny bez nutnost hrubého 1/6
zjednodušování jak skutečného tvaru modelovaných konstrukčních částí ve styku s kapalnou, tak kapalnové oblast. Výpočtové modely vytvořené pro stanovení vlastních frekvencí lopaty zahrnují náboj oběžného kola osazený lopatam příslušného proflu a kapalnovou oblast nad pod lopatam včetně vrstvy kapalny v mezeře mez lopatam a stěnou komory. Hrance kapalnové oblast byly radálně resp. radaxálně defnovány povrchy savky, komory oběžného kola, zavřených rozváděcích lopat, víka a lopatkových kruhů turbíny a náboje oběžného kola s kuželem obr.1. Vlvem přídavné obr. 1 hmotnost vody dochází k snížení vlastních frekvencí kmtání lopat, které je vyjádřeno součntel vlvu neproudícího vodního prostředí ϕ, = 1, 2, 3, : f voda ϕ =, f kde f voda je -tá vlastní frekvence kmtání ve vodním prostředí, f je -tá vlastní frekvence kmtání ve vakuu nebo vzduchu (vlv vzduchu na kmtání lopat je zanedbatelný). Součntelé vlvu vody jsou závslé na geometrckém tvaru lopat. Pro čtyř typy lopat jsou hodnoty prvních třech součntelů znázorněny v grafu obr. 2. Součntelé vlvu vody nejsou významně 2/6
0,8 Součntelé vlvu neproudícího vodního prostředí f čtyř typů lopat 0,75 0,7391 0,7484 0,7 0,65 0,666 0,679 0,6856 fj, j=1, 2, 3 [-] 0,6 0,614 0,608 0,572 0,5787 0,55 0,547 0,5 0,516 0,45 0,474 f1 f2 f3 0,4 Gabčíkovo Mkšová Lpt. Mara - původní profl Lpt. Mara - zesílený profl obr. 2 ctlvé na okrajové podmínky modelující uložení lopat [1]. Pokud jsou př výpočtu vlastních frekvencí lopat ve vodě uvažovány vůle mez lopatam oběžného kola a komorou oběžného kola, jsou vypočítané hodnoty součntelů vlvu vody velm málo odchýlené od hodnot součntelů vlvu vody stanovených expermentálně [1]. V konstrukční prax je však pro posouzení bezpečnost vůč rezonančnímu kmtání lopat nutné stanovt hodnoty vlastních frekvencí kmtání ve vodním prostředí. Hodnoty vlastních frekvencí kmtání na vzduchu ve vodě jsou významně ovlvněny okrajovým podmínkam výpočtového modelu. V ČKD Blansko Strojírny, a.s. byla realzována stude vlvu okrajových podmínek modelujících vazbu příruby lopaty a čepu a uložení čepu v náboj oběžného kola na hodnoty vlastních frekvencí lopat na vzduchu. Výsledky stude umožňují optmalzovat okrajové podmínky výpočtového modelu s cílem dosáhnout shodu hodnot vlastních frekvencí stanovených výpočtem a expermentálně [2]. Nejstota vypočítaných hodnot vlastních frekvencí kmtání lopat v neproudícím vodním prostředí zahrnující vlv mperfekcí reálného provedení lopat, vlv okrajových podmínek výpočtového modelu a chybu výpočtu nepřesahuje 4% z hodnot jednotlvých vlastních frekvencí. 3/6
Kmtání lopat oběžných kol v proudící kapalně V současné době nejsou k dsposc výsledky teoretckých řešení problému kmtání lopat oběžných kol v proudící kapalně. K posouzení oprávnění předpovídat parametry kmtání lopat v proudící vodě z vypočtených parametrů kmtání lopat v neproudící vodě v prvním přblížení byly využty výsledky měření napětí lopat za provozu [3], [5]. Dérazova čerpadlová turbína PVE Lptovská Mara: V 70. letech bylo provedeno tenzometrcké měření napětí lopat oběžného kola v turbínovém a čerpadlovém provozu. Vyhodnocené výsledky měření zahrnující zejména odhady funkce spektrální výkonové hustoty procesů napětí lopat [3], [4] byly využty k určení hodnot domnantních frekvencí kmtání lopat. Výpočet vlastních tvarů kmtu a vlastních frekvencí kmtání lopat byl proveden v rámc výzkumu ČKD Blansko Strojírny, a.s. [2]. Porovnání vypočítaných vlastních frekvencí lopat v neproudící vodě s měřením rezonančních frekvencí kmtání lopat v proudící vodě - za provozu Původní profl lopaty oběžného kola DR turbny vypočítané vlastní frekvence kmtání v neproudcí vod ě 8% pásmo nejstoty měření - turbína měření - čerpadlo měření - čerpadlo s kolísáním výkonu 49,67 66,33 112,07 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 frekvence [Hz] obr. 3 Souhrnné znázornění vypočítaných vlastních frekvencí v neproudící vodě a jejch 8% pásmo nejstoty a frekvence kmtání lopat zjštěné př turbínovém a čerpadlovém provozu jsou uvedeny na obr. 3. Rozdíly frekvencí kmtání lopat př turbínovém a čerpadlovém provozu mohou být způsobeny 4/6
změnam reálného uložení lopat v ložskách č vlvem hydrodynamckých sl v uvedených typech provozu. Kaplanova turbna VE Gabčíkovo: Tenzometrcké měření napětí na lopatě za provozu se uskutečnlo př uvádění do provozu soustrojí TG5 v roce 1993 [5]. Na obr. 4 jsou znázorněny vypočítané vlastní frekvence v neproudící vodě a hodnoty domnantních frekvencí zjštěných př Porovnání vypočítaných vlastních frekvencí lopat oběžného kola turbíny VE Gabčíkovo v neproudící vodě s měřením rezonančních frekvencí kmtání lopat za provozu vypočítané vlastní frekvence kmtání v neproudcí vodě 8% pásmo nejstoty měření - volnoběh a 20 MW 9,3 14,1 21,3 30,5 32,1 34,8 5 10 15 20 25 30 35 40 frekvence [Hz] obr. 4 výkonu 20 kw a př volnoběhu. Umístění tenzometru, jehož sgnál byl vyhodnocován, je hlavním důvodem absence expermentálně zjštěného kmtání nžším vlastním tvary kmtů. Navíc je expermentálně ověřeno, že kmtání lopat nžších tvarů kmtů se budí obtížně [6]. Použjeme-l k predkc frekvencí kmtání lopat za provozu vypočítané hodnoty vlastních frekvencí ve proudící vodě, nepřesahuje nejstota predkce za běžných provozních podmínek 8% z vypočítaných hodnot vlastních frekvencí. Výjmkou je nestandardní čerpadlový provoz s kolísáním příkonu, kdy se pravděpodobně významně uplatňují hydrodynamcké účnky proudící vody. Závěr Aplkace profesonálních systémů programů metody konečných prvků umožňují věrohodné stanovení vlastních frekvencí kmtání lopat oběžných kol Kaplanových a Dérazových turbín v neproudící vodě. 5/6
Nejstota predkce frekvencí kmtání lopat oběžných kol se standardní úrovní návrhu za běžných provozních podmínek nepřesahuje 8% z vypočítaných hodnot vlastních frekvencí v neproudící vodě. Za jných okolností je nutno uvažovat nejstoty odhadu dynamckého chování lopat oběžných kol za provozu vlvem hydrodynamckých účnků. Použté podklady 1. VARNER, M. KANICKÝ, V. SALAJKA, V.: Výpočet vlastních frekvencí a tvarů kmtů lopaty oběžného kola Kaplanovy turbíny ve vodě, Sborník HYDROTURBO 2001, Podbanské, 2001. 2. HUŇKA, P. VARNER, M.: Změna součntelů snížení vlastních frekvencí rezonančního kmtání lopat ve vodě vlvem proudění vody, výzkumná zpráva ČKD Blansko Strojírny, a.s. č. 4OAM 9962-667, Blansko, 2002. 3. VARNER, M.: Vyhodnocení měření napětí na lopatě OK TG3 DR2 PVE Lptovská Mara, výzkumná zpráva ČKD Blansko, a.s. č. 4OTE 9961-934, Blansko, 1985. 4. VARNER, M: - SVĚRÁK, F.: Vyhodnocování provozních měření systémem EDYZ 5, Strojírenství, 37, 181, 1987. 5. PŮLPITEL, L.: Měření př zkoušce bezenergetckého provozu TG5 VE Gabčíkovo, výzkumná zpráva ČKD Blansko, a.s. č. 4VYU 9962-299, Blansko, 1993. 6. TVRZ J.: Expermentální stanovení vlastních frekvencí lopat oběžného kola soustrojí TG3 PVE Lptovská Mara, výzkumná zpráva SVÚSS č.: 82 03129, SVÚSS Praha Běchovce, 1982 Autoř Ing. Mroslav VARNER, ČKD Blansko Strojírny, a.s., Gellhornova 1, 678 18 Blansko, tel.: 0506 40 2023, fax: 0506 414060, e-mal: oam@ckdblansko.cz.,varner@wo.cz Doc. Ing. Vktor KANICKÝ, CSc, Kancelář dynamckých výpočtů, Hoblíkova 13, 613 00 Brno, tel. fax: 0545572697 Ing. Vlastslav SALAJKA, CSc, Ústav stavební mechanky, Fakulta stavební, VUT v Brně, Veveří 95, 667 37 Brno, tel.: 05 41147365, e-mal: smsal@fce.vutbr.cz 6/6