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Simulation von Strömungs-Struktur-Wechselwirkungen
am Beispiel von Wasserturbinen(Fluid – Structure Interaction)
Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen (IHS)
Staatliche Materialprüfanstalt (MPA)
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ProblemstellungWasserturbinen sind zunehmend höheren dynamischen Belastungen ausgesetzt:
• Langer Off-Design-Betrieb,
• Höhere Lastzyklen,
• Kostenreduktion (schlankere Bauweise).
=> Strömungsangeregte Schwingungen
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Ziel des Projektes
• Erstellen von Simulationstools (Kopplung von Strömungs- und Strukturrechnungen) um Schwingungen und deren Auswirkungen vorhersagen zu können.
• Machbarkeitsstudie
Strömungssimulation Struktursimulation
InterfacesIHS MPA
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Kaplan-Turbine
1. Schwingungsanregung infolge gegenseitiger Beeinflussung der Bauteile (Leitrad – Laufrad –Interaktion
2. Selbsterregte Schwingungen infolge Strömungsinstabilitäten (z. B. Karman‘sche Wirbelstrasse)
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Karman‘sche Wirbelstrasse
Druckfeld
Anregende Kraft
Größere Herausforderung für die Strömungssimulation
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Insel Guadeloupe
Karman‘sche Wirbelstrasse in der Natur
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Anwendungsbeispiel Propellerlaufrad
1. Stationäre, Ein-Weg-Kopplung
Annahme: Periodische Strömung,nur ein Schaufelkanal wird betrachtet
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2. Dynamische (selbsterregte) Schwingung
Vereinfachung: Fest eingespannter Tragflügel
Schwingungsanregung durch stumpfe Hinterkante
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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.
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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
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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
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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
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n13481
n7415
n13967
E inspannung
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z. B. Anströmgeschwindigkeit: 11.1 m/s
=> Anregungsfrequenz: 101.5 Hz
Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit ergibt höhere Anregungsfrequenz
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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.
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Ausblick
• Anwendung auf komplexe Turbinengeometrie
• Untersuchung von Verbesserungen (z. B. Hinterkantenformen) zur Reduzierung der Anregung.
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Vielen Dank für die Anschubfinanzierung
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