Simulatie van hydraulische turbinerotoren

[atn]

Hallo

Ik ben bezig met het simuleren van een hydraulische turbinerotor in SolidWorks, maar ik heb een probleem met de opgelegde verplaatsingen dat mijn resultaten vertekent.

Ik kan het model niet delen, maar hier is een overzicht van het probleem.

De uitdaging is om de werking van de vloeistof op de rotorbladen te simuleren. Om dit te doen, bepaal ik een druk die op de messen moet worden uitgeoefend en die het gewenste koppel genereert. Alleen de messen die naar het inlaatgebied zijn gericht, worden onder druk gezet. De rotor wordt ondersteund door 2 zelfuitlijnende lagersteunen.

Mijn probleem ligt in de opgelegde verplaatsing om de rotatie te blokkeren. De enige oplossing die ik heb gevonden is om de rotatie van het cilindrische vlak waarop de flexibele koppeling is gemonteerd te blokkeren, maar dit belemmert ook de radiale verplaatsingen en de uitlijning van de as. Het cilindrische vlak van de koppeling wordt in dit geval beschouwd als een in rotatie geblokkeerde schuif, die helemaal niet overeenkomt met de werkelijkheid (het uiteinde van de as die de koppeling draagt is vrij). Het vereenvoudigde model illustreert het probleem goed.

Weet u een manier om de draaiende as "ten opzichte van zichzelf" te vergrendelen, d.w.z. door de vrijheidsgraden in het radiale vlak en bij de uitlijning van de as te behouden? Of zie je een andere manier om mijn probleem te simuleren?

Het is uiteraard niet mogelijk om een weerstandskoppel toe te passen dat overeenkomt met het koppel dat wordt gegenereerd door de druk op de messen (zelfs met 2 identieke tegengestelde koppels kan SW niet berekenen).

Bij voorbaat dank voor uw ideeën en suggesties.

Ik voeg het vereenvoudigde sjabloon toe.

rotor_shematise.sldprt

[froussel]

Hallo

Uw resultaat is niet per se zo slecht representatief: er zal een verschil in gedrag zijn tussen de boom die aan uw generator is gekoppeld en degene die alleen de begeleiding doet (hij kan vrij draaien en de inspanningen zullen niet naar zijn kant gaan).

U kunt uw rotatie optioneel vergrendelen op een verlengstuk van de as die u hebt geblokkeerd. Je maakt een extrusie van een veel kleinere diameter en je blokkeert de rotatie aan het einde van deze diameter. Het toegevoegde asuiteinde zal waanzinnige beperkingen en veel verplaatsing hebben vanwege de torsie, maar de modellering van het gedrag van uw as zal zeker iets nauwkeuriger zijn (pas op dat de rotatie geen problemen veroorzaakt in termen van de toepassing van uw kracht)

[m_blt]

Hallo

Deze aanpak wijkt een beetje af van die van de flexibele as die @froussel voorstelt.

Het zou interessant zijn om te weten op welke manier het "paar" naar de ontvanger wordt verzonden, om te bevestigen dat het inderdaad een paar is...
Geen ondersteuning van het koppeltype in de SW-simulatiemodule. Om zo dicht mogelijk bij elkaar te komen, kunnen we denken aan twee diametraal tegenovergestelde puntsteunen, ter hoogte van het uitgangsvlak van de schacht, met een normale raaklijn aan de rand van dit vlak.
Dit doel wordt bereikt door een kleine bewerking uit te voeren om de twee punten te lokaliseren en door het referentieoppervlak en de bijbehorende verplaatsing (nul volgens z) op de juiste manier te kiezen. Wat neerkomt op het opnieuw uitvinden van de dubbele sleutel...
   
De berekening verloopt normaal en de weergave van de resultaten laat zien dat de punten in de eindzone in alle drie de richtingen worden verplaatst.

Eén nadeel: als we naar de resultaten kijken, kunnen we zien dat de twee "eenmalige" inspanningen niet dezelfde standaard hebben, wat bewijst dat ze niet helemaal een stel zijn.
Het is mogelijk om op het niveau van deze twee puntsteunen in te spelen op de waarde van de verplaatsingen die volgen op z om de standaarden identiek te maken (ongeveer 0,004 mm, de as is zeer stijf met betrekking tot de uitgeoefende krachten). Dit bevestigt dat het vlak aan het einde van de as licht langs z beweegt als de ontvanger puur koppel uitoefent. Dat brengt ons terug bij de oorspronkelijke vraag: is het een stel?
Natuurlijk mogen de spanningen niet in de buurt van deze twee "sleutel"-punten worden beschouwd.

Vriendelijke groeten

rotorschematisebis.sldprt
rotorschematisebis.png

[Zozo_mp]

Hallo

Het zou nog steeds gemakkelijker zijn om vooraf een stromingssimulatie te doorlopen, waardoor u al een betere kennis krijgt van de vorm van de stroming en de druk die in het spel is.

[HS AAN]

Ik ben zo vrij om mijn mening te geven over het model en ook over de aanpak     (stoot alsjeblieft niet met je hoofd) in alle bestaande turbines, er zijn er geen met  twee diametraal tegenovergestelde steunen (sorry @m.blt , het idee is goed met veel limieten, maar ik zal niet helemaal dezelfde aanpak aanbevelen.

Waarvoor! Van de drie meest voorkomende typen turbines (Francis, Kaplan en Pelton) zou wat dicht bij uw model zou liggen (zonder de efficiëntie te hebben) de Pelton zijn, die een strikt tangentiële stroming heeft, terwijl de Kaplan werkt als de gestroomlijnde propeller van een boot en de Francis heeft een stroom van de binnenkant naar de buitenkant van de turbine.

Naar mijn mening is alleen een analyse van een tangentiële stroming die beperkt is tot de hoogte van het concave blad relevant.

Als       het water de hele turbine raakt, is de emmer die zijn bolle kant aan het water biedt per definitie niet zo efficiënt als de emmer die tegelijkertijd zijn holle gezicht aan de waterstroom biedt.

Dit alles om te zeggen dat we de twee krachten op zijn minst afzonderlijk moeten beschouwen. Om dit te doen, simuleert u het convexe vlak en vervolgens het concave vlak en voert u vervolgens een PEF-simulatie uit met de twee waarden.

Het zeer grote probleem is om de krachten op de bolle messen te kennen , want voor de concave messen kun je een beetje vals spelen.
Aan de andere kant, als je een stortkoker of sproeiers hebt die hun tangentiële straal hebben, dan is het probleem veel eenvoudiger.
Merk op dat een statische simulatie u slechts een benadering geeft, aangezien u geen trillingen, frequenties, enz. kunt integreren. in uw model, enz... enz...

Het dichtst bij uw afbeelding komen tangentiële ventilatoren, maar waarvan het principe van de stroomcirculatie heel anders is.

[HS /UIT]

Vriendelijke groeten

 

[m_blt]

Hallo @Zozo_mp, hallo @Atn,

Geen dissonantie tussen onze voorstellen, alleen een ruimtelijke en temporele kloof in de beoogde modellering/simulatie.
Uw ontwikkeling op de turbines plaatst u bij de input van het systeem, en betreft het onderzoek naar de acties die de vloeistof op de rotor zal uitoefenen, door middel van een studie van het debiet en het drukveld op de bladen.

Ik zit aan de andere kant van de stroomketen, waar de ontvanger (in principe) een resistente actie moet uitoefenen. De vraag die door @Atn wordt gesteld, betreft het vermogen van de boom om de krachten te weerstaan en de evaluatie van de daaruit voortvloeiende vervormingen en spanningen.
"Mijn probleem is de opgelegde verplaatsing die de rotatie blokkeert."
Het model dat is bedoeld  om de as te immobiliseren, is een puur koppel.
Dit is het doel van het vereenvoudigde stuk dat als basis voor reflectie wordt gegeven.

Ik ben me er terdege van bewust dat de verdeelde belasting die op een gebied van een prismatische stomp in het midden van de vereenvoudigde as werkt, verre van een realistisch model is van de vloeistof/rotor-actie... Maar ik zie niet in hoe ik op basis van de verstrekte gegevens een ander voorstel kan doen.

Mijn voorstel betreft alleen hoe de boom kan worden geïmmobiliseerd door middel van wat het dichtst bij een "zuiver paar" ligt. Hoewel ik twijfel aan de relevantie van dit model met betrekking tot de echte oplossing...
Net als jij over het modelleren van vloeistof / rotor acties, vraag ik me af hoe deze actie van de ontvanger te modelleren op de uitgaande as.

Vriendelijke groeten.

[froussel]

Dank u @Zozo_mp voor zijn uitweidingen die me in staat stelden om interesse te tonen in de wondere wereld van turbines.

Gezien het ontwerp van @Atn moet de turbine zijn ontworpen voor lage valpartijen en niet noodzakelijkerwijs voor een enorme stroom (dus alleen de kaplan kan mogelijk in hetzelfde gebruiksregister zijn) of een andere vloeistof dan water.

Aan de andere kant, als de vloeistof een vloeistof is, is een groot probleem met het ontwerp de evacuatie van deze vloeistof zodra deze de bovenste bladen heeft geraakt: het zal 'vast' komen te zitten in het wiel en kan de algehele efficiëntie van het ontwerp zeer sterk aantasten (een fenomeen dat afwezig is bij de 3 door zozo genoemde turbines die de vloeistof correct evacueren).

[Zozo_mp]

Hallo @froussel 

Ben het met je eens over de afvoer van water.

Alleen een kabeljauwstaart met een strikt tangentiële stroming zou het mogelijk maken om een resultaat te verkrijgen.

Ik voeg aan de titel van uitweidingen toe ;-)  ;)   dat zelfs pico-turbines min of meer de drie modellen gebruiken die ik noemde.

Ik vroeg me een vraag af!!!!! 
Zou het niet het werk zijn van een student die de Fourneyron-turbines niet heeft gezien of verkeerd heeft geïnterpreteerd, hoewel het model dichter bij een Poncelet-turbine en zijn gebogen schoepenwaterwielen zou liggen.

Kortom, laten we wachten op aanvullende informatie van de eerste sollicitant, die ons op dit moment niet lijkt te kunnen antwoorden.

Vriendelijke groeten

[atn]

Hallo allemaal en bedankt voor jullie antwoorden, ik ben onder de indruk van jullie reactievermogen en de interesse in mijn vraag. Ik probeer een globaal antwoord te geven.

Ten eerste is het een Crossflow (of Banki-Mitchell) turbine, d.w.z. met "through-flow". Het is een actieturbine waarbij de vloeistof wordt geïnjecteerd in een inlaatsector van ongeveer 1/3 van een cirkel (en niet over de hele rotor zoals bij een Savonius windturbine het geval is). De vloeistof komt de rotor binnen door voor de eerste keer door de bladring te gaan en verlaat deze vervolgens door er een tweede keer doorheen te gaan; Het werkt daarom in op de bladring bij het in- en uitstappen van de rotor.

Gezien de complexiteit van het debiet in dit type turbine en het gebrek aan middelen/tijd, wordt een simulatie van het debiet niet overwogen; Vandaar de ruwe modellering van het fenomeen waarbij alleen druk wordt uitgeoefend op het onderoppervlak van de bladen. Om dezelfde reden, omdat het effect van de vloeistof bij de uitlaat van de waaier niet precies kent, wordt er geen rekening mee gehouden (a priori veilig).

@froussel, bedankt voor de suggestie. Ik heb het getest, maar zoals je al vreesde, krijg ik "grote verplaatsingen" als ik de diameter van de asverlenging verklein om voldoende vrijheid te krijgen. Omgekeerd, als ik een diameter definieer die groot genoeg is om het koppel op te nemen zonder grote verplaatsingen te hebben, verliezen we het flexibele effect. Is de optie voor grote verplaatsingen van de oplosser vervelend voor de nauwkeurigheid van de resultaten?

Ik heb een andere oplossing getest met een soort "band" koppeling, maar ik zit alleen in de voorbereidende tests. Het lijkt erop dat het minder problemen oplevert van "grote verplaatsingen" als gevolg van het draaien van de boom. De eerste resultaten wijzen op een verwaarloosbaar verschil in spanning tussen de oorspronkelijke versie "roterende vergrendeling van het cilindrische vlak" en de versie "bandenkoppeling"; Maar de vervorming van de eerste versie is visueel behoorlijk verontrustend.

@m.blt, bedankt ook voor de suggestie. Wat me stoort aan deze oplossing is dat het uiteinde van de as nog steeds geplateerd is op het XY-vlak, lijkt het mij (het kan alleen omhoog of omlaag buigen). Wat betreft uw vraag over het paar, ja, het is een paar "relatief aan het einde van de boom". De vervormde positie van het asuiteinde is stationair. Natuurlijk zal de halve koppeling aan de ontvangerzijde de verplaatsing van het asuiteinde tegengaan, maar in welke mate...?

@Zozo_mp, ik werk niet bij Siemens en helaas is het voor ons onmogelijk om rekening te houden met trillingen en andere verschijnselen (noch tijd, noch materiële middelen ;). Dit is niet het doel van deze studie. Een studie van de stroming en een deductie van het drukveld zou inderdaad interessant zijn, maar nogmaals, ik vrees dat we hiervoor de middelen tekort schieten. Ik weet ook niet hoe ik de resultaten van de "flow"-simulatie moet integreren in de mechanische studie.

Weet u of er geschiktere koppelingen zijn in andere software zoals Ansys of Abaqus?

Vriendelijke groeten

Anthony

[m_blt]

Goedenavond

Omdat de koppeloplossing op basis van twee punctualen u niet overtuigde. En toch... ;o)
Omdat de "zachte" schacht niet meer geschikt is...
Er blijft de oplossing van de mobiele koppeling van het Oldham-gewrichtstype, in een herziene vorm, met contacten die zijn aangepast om de "juiste" vrijheidsgraden te verkrijgen. Deze keuze, van het type mechanisme, vereist het maken van een assemblage om de koppelingsverbinding weer te geven.

Alles staat in het bijgevoegde zip-bestand (SW 2021 en Word-doc).

Vriendelijke groeten

rotorschematisebis.avi
rotorschematisebis.zip

[Zozo_mp]

Hallo @Atn 

Dank u voor de verduidelijking van het type turbine.

Ik zou zeggen dat dit het probleem in zekere zin vereenvoudigt, omdat het mogelijk wordt om de PB terug te brengen tot twee soorten interactie: de inkomende stroom (een druk) en het gewicht van het water op het uitgaande deel van de stroom (met andere woorden, kersenstaarten voor de tweede)

Ik denk dat het gemakkelijker is om van het volledige model uit te gaan (ik vond een hard model op het net) omdat zowel de bladen als de afstandsversterkingen in grote mate bijdragen aan de stijfheid van het geheel. Naar mijn mening is het noodzakelijk om het volledige systeem te simuleren, aangezien de afstandhouders en schoepen het systeem ook verstijven.

Als je kunt wachten tot maandag (ik ga onderweg) maak ik een simulatie voor je. Aan de andere kant, controleer of de afstandhouders aansluiten op de centrale as zoals op de foto's.

Geeft ook de geschatte  afmetingen van de verschillende elementen.

Vriendelijke groeten

 

[atn]

Hallo

@m.blt, hartelijk dank voor uw onderzoek en uw zeer gedetailleerde procedure, ik stel me voor dat u uw avond aan mijn probleem hebt gewijd. Ik heb nog geen tijd gehad om je methode op het gedetailleerde rotormodel uit te proberen, maar ik zal er naar kijken. Ik hoop dat mijn machine deze gladde contacten aankan; Ik ben al beperkt in het oplossen van het probleem met een degelijke mesh en ik heb de indruk dat de benodigde capaciteit flink toeneemt als je schuifcontacten aanbrengt. Om gezien te worden.

@Zozo_mp wordt de simulatie daadwerkelijk uitgevoerd op het gedetailleerde rotormodel. De vereenvoudigde versie wordt alleen gebruikt om snelle tests uit te voeren en het gedrag van de DE-zijde van de as te observeren volgens de gebruikte verbindingen. Dat gezegd hebbende, denk ik dat het vereenvoudigde model vrij representatief is voor het echte model.

De afstandhouders dragen in hoge mate bij aan de stijfheid van het geheel. Het zijn kronen, ze passen niet bij de boom. Alleen de zijflenzen en een centrale afstandhouder zijn in krimpfolie op de as gewikkeld.

De werking van de vloeistof aan de uitlaat van de rotor is niet te verwaarlozen, maar zeer moeilijk te kwantificeren; We hebben het toch over ~20-30%. Aan de andere kant is het erg moeilijk om te weten op hoeveel messen het werkt, welke, met welke kracht (waarschijnlijk zeer variabel van het ene mes naar het andere); Dit is de reden waarom de uitgaande werking wordt verwaarloosd en waarom al het koppel wordt overgebracht op de inlaatbladen (via druk op het onderoppervlak). De actie op de uitlaatbladen zou tot gevolg hebben dat de krachten in evenwicht worden gebracht (meer symmetrisch) en de schoepen van de inlaatsector worden ontlast. Deze vereenvoudiging lijkt mij dan ook veilig.

Het stoort me een beetje om je zo te laten werken, ook al lijkt het een passie ;-). Hier zijn de belangrijkste afmetingen van de bestudeerde rotor.

• Diameter rotor: 400 mm.
• Diameter as: 90 mm.
• Bladbreedte: 740 mm met een centrale afstandhouder die in krimpfolie op de as is gewikkeld en de kooi in twee delen van 475/265 mm scheidt.
• Vermogen: 250 kW, 470 tpm, 5 kNm.

Ik zal je volgende week niet kunnen antwoorden, ik zal het probleem de week erna opnieuw bekijken.

Vriendelijke groeten

Anthony

[Zozo_mp]

Hallo @ allemaal en @ All   and @Atn 

Uw mening alstublieft!

Ik ben het niet eens met de volgende opmerking van @Atn      """"""

Hoewel we voor een turbine niet kunnen spreken van lagere oppervlakken (in de zin van vliegtuigvleugels), zou ik zeggen dat de druk wordt uitgeoefend op het concave deel (in het blad zoals bij een Pelton), in feite zou er een laminaire stroming moeten zijn om iets op de intrado te hebben, terwijl we hier meer in een turbulente stroming zitten. Met een dageraadtijd van enkele milliseconden is er geen tijd om een intrado-effect AMHA te hebben

Er zijn ook opmerkelijke verschillen, afhankelijk van of  u de verticale of horizontale stroomregelaar heeft! Maar hey!   (zie weergave 2)

Ik stel de vraag om de juiste inspanningen te leveren bij het ochtendgloren.     (morgen bij zonsopgang, op het moment dat het platteland wit wordt, zal ik tekenen)

Vriendelijke groeten

 

flux___vue_1.jpg
flux___vue_2.jpg