Simulation von hydraulischen Turbinenrotoren

Simulation
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Hallo

Ich bin damit beschäftigt, einen hydraulischen Turbinenrotor in SolidWorks zu simulieren, aber ich habe ein Problem mit den auferlegten Verschiebungen, das meine Ergebnisse verzerrt.

Ich kann das Modell nicht teilen, aber hier ist ein Überblick über das Problem.

Die Herausforderung besteht darin, die Einwirkung des Fluids auf die Rotorblätter zu simulieren. Dazu bestimme ich einen auf die Klingen auszuübenden Druck, der das gewünschte Drehmoment erzeugt. Nur die dem Ansaugbereich zugewandten Schaufeln werden unter Druck gesetzt. Der Rotor wird von 2 selbstausrichtenden Lagerstützen abgestützt.

Mein Problem liegt in der auferlegten Verschiebung, um die Drehung zu blockieren. Die einzige Lösung, die ich gefunden habe, besteht darin, die Drehung der zylindrischen Fläche, auf der die elastische Kupplung montiert ist, zu blockieren, aber dies behindert auch die radialen Verschiebungen sowie die Ausrichtung der Achse. Die zylindrische Fläche der Kupplung wird in diesem Fall als ein in der Rotation blockierter Schieber betrachtet, was der Realität überhaupt nicht entspricht (das Ende der Welle, die die Kupplung trägt, ist frei). Das vereinfachte Modell veranschaulicht die Problematik gut.

Kennen Sie eine Möglichkeit, die rotierende Welle "relativ zu sich selbst" zu sperren, d.h. indem die Freiheitsgrade in der radialen Ebene und bei der Ausrichtung der Achse erhalten bleiben? Oder sehen Sie eine andere Möglichkeit, mein Problem zu simulieren?

Es ist natürlich nicht möglich, ein Widerstandsdrehmoment aufzubringen, das dem Drehmoment entspricht, das durch den Druck auf die Klingen erzeugt wird (selbst bei 2 identischen entgegengesetzten Drehmomenten kann SW nicht berechnen).

Vielen Dank im Voraus für Ihre Ideen und Anregungen.

Ich hänge die vereinfachte Vorlage an.


rotor_shematise.sldprt
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Hallo

Ihr Ergebnis ist nicht unbedingt so schlecht repräsentativ: Es wird einen Unterschied im Verhalten zwischen dem Baum, der mit Ihrem Generator verbunden ist, und demjenigen geben, der nur die Führung ausführt (er kann sich frei drehen und die Bemühungen gehen nicht auf seine Seite).

Optional können Sie Ihre Drehung an einer Verlängerung der von Ihnen blockierten Welle sperren. Sie erstellen eine Extrusion mit einem viel kleineren Durchmesser und blockieren die Drehung am Ende dieses Durchmessers. Das hinzugefügte Wellenende wird verrückte Einschränkungen und eine große Verschiebung aufgrund der Torsion haben, aber die Modellierung des Verhaltens Ihrer Welle wird sicherlich etwas genauer sein (achten Sie darauf, dass die Drehung keine Probleme in Bezug auf die Anwendung Ihrer Kraft verursacht)

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Hallo

Dieser Ansatz unterscheidet sich ein wenig von dem der von @froussel vorgeschlagenen flexiblen Welle.

Es wäre interessant zu wissen, auf welche Weise das "Paar" an den Empfänger übertragen wird, um zu bestätigen, dass es sich tatsächlich um ein Paar handelt...
Keine Drehmomentunterstützung im SW-Simulationsmodul. Um so nah wie möglich heranzukommen, können wir uns zwei diametral gegenüberliegende Punktstützen vorstellen, die sich auf Höhe der Austrittsfläche des Schachtes befinden, mit einer normalen Tangente zum Rand dieser Fläche.
Dieses Ziel wird erreicht, indem eine kleine Bearbeitung durchgeführt wird, um die beiden Punkte zu lokalisieren, und indem die Referenzfläche und die zugehörige Verschiebung (Null nach z) entsprechend gewählt werden. Was darauf hinausläuft, den Doppelschlüssel neu zu erfinden...
   
Die Berechnung verläuft normal und die Anzeige der Ergebnisse zeigt, dass die Punkte in der Endzone in alle drei Richtungen verschoben werden.

Ein Nachteil: Wenn wir uns die Ergebnisse ansehen, können wir sehen, dass die beiden "einmaligen" Bemühungen nicht den gleichen Standard haben, was beweist, dass sie nicht ganz ein Paar sind.
Es ist möglich, mit dem Wert der Verschiebungen nach z auf der Ebene dieser beiden Punktlager zu spielen, um die Normen identisch zu machen (ca. 0,004 mm, die Welle ist sehr steif in Bezug auf die einwirkenden Kräfte). Dies bestätigt, dass sich die Fläche am Ende der Welle leicht entlang z bewegt, wenn der Empfänger reines Drehmoment ausübt. Womit wir wieder bei der ursprünglichen Frage wären: Ist es ein Paar?
Natürlich sollten die Spannungen nicht in der Nähe dieser beiden "Schlüsselpunkte" betrachtet werden.

Herzliche Grüße


rotorschematisebis.sldprt
rotorschematisebis.png
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Hallo

Es wäre immer noch einfacher, vorher eine Strömungssimulation zu durchlaufen, die Ihnen bereits ein besseres Wissen über die Form der Strömung und die wirkenden Drücke vermitteln würde.

[HS EIN]

Ich erlaube mir, meine Meinung zum Modell und auch zum Ansatz     zu äußern (bitte nicht mit dem Kopf anschlagen): Bei allen vorhandenen Turbinen gibt es keine mit  zwei diametral gegenüberliegenden Stützen (sorry @m.blt , die Idee ist gut, mit vielen Grenzen, aber ich werde nicht ganz den gleichen Ansatz empfehlen.

Wozu! Unter den drei gebräuchlichsten Turbinentypen (Francis, Kaplan und Pelton) wäre das, was Ihrem Modell nahe käme (ohne den Wirkungsgrad zu haben), die Pelton, die eine streng tangentiale Strömung hat, während die Kaplan wie der verkleidete Propeller eines Bootes funktioniert und die Francis eine Strömung von der Innen- zur Außenseite der Turbine hat.

Aus meiner Sicht ist nur eine Analyse relevant, die an einer tangentialen Strömung durchgeführt wurde, die auf die Höhe der konkaven Klinge beschränkt ist.

Trifft       das Wasser auf die gesamte Turbine, ist der Eimer, der seine konvexe Seite zum Wasser anbietet, per definitionem nicht so effizient wie der Eimer, der gleichzeitig seine konkave Fläche dem Wasserstrom bietet.

All dies, um zu sagen, dass wir die beiden Kräfte zumindest getrennt betrachten müssen. Simulieren Sie dazu die konvexe Fläche und dann die konkave Fläche und führen Sie dann eine PEF-Simulation mit den beiden Werten durch.

Das sehr große Problem besteht darin, die Kräfte zu kennen, die auf die konvexen Klingen wirken , denn bei den konkaven Klingen kann man ein wenig schummeln.
Auf der anderen Seite, wenn Sie eine Rutsche oder Düsen haben, die ihren tangentialen Strahl haben, dann ist das Problem viel einfacher.
Beachten Sie, dass eine statische Simulation Ihnen nur eine Annäherung geben wird, da Sie nicht in der Lage sein werden, Schwingungen, Frequenzen usw. zu integrieren. in Ihrem Modell usw. etc...

Am nächsten kämen Ihrem Bild tangentiale Ventilatoren, deren Strömungsprinzip jedoch ein ganz anderes ist.

[HS /AUS]

Herzliche Grüße

 

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Hallo @Zozo_mp, hallo @Atn,

Keine Dissonanz zwischen unseren Vorschlägen, nur eine räumliche und zeitliche Lücke in der geplanten Modellierung/Simulation.
Ihre Entwicklung an den Turbinen versetzt Sie an den Eingang des Systems und betrifft die Erforschung der Wirkungen, die das Fluid auf den Rotor ausübt, durch eine Untersuchung der Strömung und des Druckfeldes an den Schaufeln.

Ich befinde mich am anderen Ende der Energiekette, wo der Empfänger (prinzipiell) eine widerständige Wirkung ausüben sollte. Die Frage, die @Atn stellt, betrifft die Widerstandsfähigkeit des Baumes den Kräften und die Bewertung der daraus resultierenden Verformungen und Spannungen.
"Mein Problem ist die auferlegte Verschiebung, die die Drehung blockiert."
Das Modell, das zur Ruhigstellung der Welle vorgesehen ist , ist ein reines Paar.
Dies ist der Zweck des vereinfachten Artikels, der als Grundlage für die Reflexion dient.

Ich bin mir vollkommen bewusst, dass die verteilte Last, die auf einen Bereich eines prismatischen Stumpfes in der Mitte der vereinfachten Welle wirkt, sehr weit davon entfernt ist, ein realistisches Modell der Fluid-/Rotorwirkung zu sein... Aber ich sehe nicht, wie man auf der Grundlage der bereitgestellten Daten einen weiteren Vorschlag machen kann.

Mein Vorschlag betrifft lediglich, wie man den Baum mit Hilfe dessen immobilisieren kann, was einem "reinen Paar" am nächsten kommt. Obwohl wir an der Relevanz dieses Modells im Hinblick auf die reale Lösung zweifeln...
Wie Sie bei der Modellierung von Fluid-/Rotor-Aktionen frage ich mich, wie man diese Wirkung des Empfängers auf die Abtriebswelle modellieren kann.

Herzliche Grüße.

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Vielen Dank @Zozo_mp für seine Exkurse, die es mir ermöglicht haben, mich für die wunderbare Welt der Turbinen zu interessieren.

Aufgrund der Konstruktion der @Atn muss die Turbine für niedrige Gefälle ausgelegt sein und nicht unbedingt für eine große Strömung (so dass möglicherweise nur der Kaplan im gleichen Einsatzregister sein kann) oder eine andere Flüssigkeit als Wasser.

Auf der anderen Seite, wenn es sich bei der Flüssigkeit um eine Flüssigkeit handelt, ist ein großes Problem bei ihrer Konstruktion die Evakuierung dieser Flüssigkeit, sobald sie auf die oberen Schaufeln trifft: Sie bleibt im Rad "stecken" und kann den Gesamtwirkungsgrad der Konstruktion sehr stark beeinträchtigen (ein Phänomen, das bei den 3 von zozo erwähnten Turbinen, die die Flüssigkeit korrekt evakuieren, nicht vorhanden ist).

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Hallo @froussel 

Nun, stimmen Sie mit Ihnen über die Evakuierung des Wassers überein.

Nur ein Dorschschwanz mit einer streng tangentialen Strömung würde es ermöglichen, ein Ergebnis zu erzielen.

Ich füge dem Titel der Exkurse hinzu ;-)  ;)  , dass auch Pico-Turbinen mehr oder weniger die drei Modelle verwenden, die ich erwähnt habe.

Ich habe mir eine Frage gestellt!!!!! 
Wäre es nicht das Werk eines Studenten, der die Fourneyron-Turbinen nicht gesehen oder falsch interpretiert hat, obwohl das Modell eher einer Poncelet-Turbine mit ihren geschwungenen Schaufelwasserrädern ähneln würde.

Kurz gesagt, warten wir auf zusätzliche Informationen von der Erstbewerberin, die uns im Moment nicht antworten zu können scheint.

Herzliche Grüße

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Hallo zusammen und vielen Dank für Ihre Antworten, ich bin beeindruckt von Ihrer Reaktionsfähigkeit und dem Interesse an meiner Frage. Ich versuche, eine globale Antwort zu geben.

Erstens handelt es sich um eine Crossflow- (oder Banki-Mitchell-) Turbine, d.h. mit "Durchströmung". Es handelt sich um eine Action-Turbine, bei der die Flüssigkeit in einen Ansaugsektor von etwa 1/3 Kreis eingespritzt wird (und nicht über den gesamten Rotor, wie es bei einer Savonius-Windkraftanlage der Fall ist). Die Flüssigkeit tritt in den Rotor ein, indem sie zum ersten Mal durch den Klingenring strömt, und verlässt ihn dann, indem sie ihn ein zweites Mal durchströmt. Es wirkt daher beim Ein- und Ausfahren des Rotors auf den Messerring.

Angesichts der Komplexität der Strömung bei diesem Turbinentyp und des Mangels an Mitteln/Zeit ist eine Simulation der Strömung nicht vorgesehen; Daher die grobe Modellierung des Phänomens, bei dem nur Druck auf die Unterseite der Schaufeln ausgeübt wird. Aus dem gleichen Grund, da die Wirkung der Flüssigkeit am Auslass des Laufrads nicht genau bekannt ist, wird sie nicht berücksichtigt (a priori sicher).

@froussel, danke für den Vorschlag. Ich habe es getestet, aber wie Sie befürchtet haben, bekomme ich "große Verdrängungen", wenn ich den Durchmesser der Wellenverlängerung verkleinere, um genügend Freiheit zu erhalten. Wenn ich hingegen einen Durchmesser definiere, der groß genug ist, um das Drehmoment aufzunehmen, ohne große Verschiebungen zu haben, verlieren wir den flexiblen Effekt. Stört die Option für große Verschiebungen des Solvers die Genauigkeit der Ergebnisse?

Ich habe eine andere Lösung mit einer Art "Reifen"-Kupplung getestet, bin aber nur in den Vortests. Es scheint, dass es weniger Probleme mit "großen Verschiebungen" aufgrund der Verdrehung des Baumes gibt. Die ersten Ergebnisse deuten auf einen vernachlässigbaren Unterschied in Bezug auf die Spannung zwischen der ursprünglichen Version "rotierende Verriegelung der zylindrischen Fläche" und der Version "Reifenkupplung" hin; Aber die Verzerrung der ursprünglichen Version ist visuell ziemlich störend.

@m.blt, danke auch für den Vorschlag. Was mich an dieser Lösung stört, ist, dass das Ende der Welle immer noch auf der XY-Ebene plattiert ist, wie es mir scheint (es kann sich nur nach oben oder unten biegen). Zu Ihrer Frage über das Paar, ja, es ist ein Paar "relativ am Ende des Baumes". Die verformte Position des Wellenendes ist stationär. Natürlich wirkt die Halbkupplung auf der Empfängerseite der Verschiebung des Wellenendes entgegen, aber inwiefern...?

@Zozo_mp, ich arbeite nicht bei Siemens und leider ist es uns unmöglich, Schwingungen und andere Phänomene zu berücksichtigen (weder Zeit noch materielle Ressourcen ;). Dies ist nicht der Zweck dieser Studie. Eine Untersuchung der Strömung und eine Ableitung des Druckfeldes wäre in der Tat interessant, aber auch hier befürchte ich, dass uns dafür die Ressourcen fehlen. Ich weiß auch nicht, wie ich die Ergebnisse der "Strömungs"-Simulation in die mechanische Studie integrieren kann.

Wissen Sie, ob es in anderen Softwares wie Ansys oder Abaqus passendere Verknüpfungen gibt?

Herzliche Grüße

Anthony

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Guten Abend

Da hat Sie die Drehmomentlösung auf Basis von zwei Pünktlichkeiten nicht überzeugt. Und doch... ;o)
Da der "weiche" Schaft nicht besser geeignet ist...
Es bleibt die Lösung der mobilen Kupplung vom Typ Oldham, in einer überarbeiteten Form, mit Kontakten, die so angepasst sind, dass sie die "richtigen" Freiheitsgrade erhalten. Diese Wahl des Mechanismustyps erfordert die Erstellung einer Baugruppe, die das Kupplungsgelenk darstellt.

Alles befindet sich in der angehängten Zip-Datei (SW 2021 und Word-Dokument).

Herzliche Grüße


rotorschematisebis.avi
rotorschematisebis.zip
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Hallo @Atn 

Vielen Dank für die Klarstellung zum Turbinentyp.

Ich würde sagen, dass dies das Problem in gewisser Weise vereinfacht, da es möglich wird, den PB auf zwei Arten von Wechselwirkungen zu reduzieren: den einströmenden Fluss (einen Druck) und das Gewicht des Wassers auf dem ausgehenden Teil des Flusses (mit anderen Worten, Kirschschwänze für den zweiten)

Ich denke, es ist einfacher, mit dem kompletten Modell zu beginnen (ich habe ein hartes Modell im Netz gefunden), weil die Klingen sowie die Abstandshalterverstärkungen sehr stark zur Steifigkeit des Ganzen beitragen. Aus meiner Sicht ist es notwendig, das komplette System zu simulieren, da die Abstandhalter und Schaufeln das System zusätzlich versteifen.

Wenn ihr bis Montag warten könnt (ich bin unterwegs), mache ich euch eine Simulation. Vergewissern Sie sich jedoch, dass die Distanzstücke wie auf den Bildern mit der Zentralwelle verbunden sind.

Gibt auch die ungefähren  Größen der verschiedenen Elemente an.

Herzliche Grüße

 

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Hallo

@m.blt, vielen Dank für Ihre Recherche und Ihr sehr detailliertes Vorgehen, ich kann mir vorstellen, dass Sie Ihren Abend meinem Problem gewidmet haben. Ich hatte noch keine Zeit, Ihre Methode am detaillierten Rotormodell auszuprobieren, aber ich werde es mir ansehen. Ich hoffe, dass meine Maschine in der Lage ist, mit diesen rutschigen Kontakten umzugehen. Ich bin schon darauf beschränkt, das Problem mit einem ordentlichen Netz zu lösen und ich habe den Eindruck, dass die benötigte Kapazität stark steigt, wenn man Schleifkontakte anbringt. Gesehen zu werden.

@Zozo_mp erfolgt die Simulation tatsächlich am detaillierten Rotormodell. Die vereinfachte Version wird nur verwendet, um schnelle Tests durchzuführen und das Verhalten der DE-Seite der Welle entsprechend den verwendeten Verbindungen zu beobachten. Abgesehen davon denke ich, dass das vereinfachte Modell ziemlich repräsentativ für das reale Modell ist.

Die Abstandhalter tragen wesentlich zur Steifigkeit des Ganzen bei. Es sind Kronen, sie sind nicht an den Baum angepasst. Lediglich die Seitenflansche und ein zentraler Abstandhalter sind auf der Welle eingeschweißt.

Die Wirkung des Fluids am Rotorauslass ist nicht zu vernachlässigen, aber sehr schwer zu quantifizieren; Wir sprechen trotzdem von ~20-30%. Auf der anderen Seite ist es sehr schwierig zu wissen, auf wie viele Klingen es wirkt, welche, mit welcher Kraft (wahrscheinlich sehr unterschiedlich von Klinge zu Klinge); Aus diesem Grund wird die Abtriebswirkung vernachlässigt und das gesamte Drehmoment auf die Einlassmesser ausgeübt (durch Druck auf die Unterseite der Oberfläche). Die Einwirkung auf die Auslassschaufeln hätte zur Folge, dass die Kräfte ausgeglichen werden (symmetrischer) und die Schaufeln des Einlasssektors entlastet werden. Diese Vereinfachung scheint mir daher sicher zu sein.

Es stört mich ein wenig, dich so arbeiten zu lassen, auch wenn es wie eine Leidenschaft klingt ;-). Hier sind die Hauptabmessungen des untersuchten Rotors.

  • Durchmesser des Rotors: 400 mm.
  • Durchmesser der Welle: 90 mm.
  • Klingenbreite: 740 mm mit einem zentralen Abstandshalter, der auf der Welle eingeschweißt ist und den Käfig in zwei Stücke von 475/265 mm trennt.
  • Leistung: 250 kW, 470 U/min, 5 kNm.

Ich werde Ihnen nächste Woche nicht antworten können, ich werde mir das Problem in der übernächsten Woche noch einmal ansehen.

Herzliche Grüße

Anthony

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Hallo @ alle und @ Alle   und @Atn 

Ihre Meinung bitte!

Ich stimme der folgenden Bemerkung von @Atn      nicht zu """"Das gesamte Drehmoment wird auf die Einlassschaufeln ausgeübt (durch Druck auf die untere Fläche)"""

Obwohl wir bei einer Turbine nicht von unteren Oberflächen sprechen können (im Sinne von Flugzeugflügeln), würde ich sagen, dass der Druck auf den konkaven Teil (innerhalb des Blattes wie bei einem Pelton) ausgeübt wird, in der Tat, damit etwas auf dem Intrado ist, müsste es eine laminare Strömung geben, während wir uns hier eher in einer turbulenten Strömung befinden. Mit einer Morgendämmerungszeit von wenigen Millisekunden gibt es keine Zeit, um einen Intrado-Effekt AMHA zu haben

Es gibt auch bemerkenswerte Unterschiede, je nachdem, ob  Sie den vertikalen oder horizontalen Durchflussregler haben! Aber hey!   (siehe Ansicht 2)

Ich stelle die Frage, ob ich die richtigen Anstrengungen auf die Morgendämmerung legen soll.     (Morgen im Morgengrauen, wenn die Landschaft weiß wird, werde ich zeichnen)

Herzliche Grüße

 


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