Symulacja wirnika turbiny hydraulicznej

[atn]

Witam

Jestem zajęty symulowaniem wirnika turbiny hydraulicznej w SolidWorks, ale mam problem z wymuszonymi przemieszczeniami, które zniekształcają moje wyniki.

Nie mogę udostępnić modelu, ale oto przegląd problemu.

Wyzwanie polega na tym, aby zasymulować działanie płynu na łopaty wirnika. W tym celu określam ciśnienie, jakie należy przyłożyć do ostrzy, które generuje pożądany moment obrotowy. Naciskowi poddawane są tylko ostrza skierowane w stronę obszaru wlotu. Wirnik jest wsparty na 2 samonastawnych wspornikach łożyskowych.

Mój problem polega na narzuconym przemieszczeniu, które ma blokować obrót. Jedynym rozwiązaniem, jakie znalazłem, jest zablokowanie obrotu powierzchni cylindrycznej, na której zamontowane jest sprzęgło elastyczne, ale utrudnia to również przemieszczenia promieniowe, a także wyrównanie osi. Cylindryczna powierzchnia sprzęgła jest w tym przypadku traktowana jako suwak zablokowany podczas obrotu, który w ogóle nie odpowiada rzeczywistości (koniec wału przenoszącego sprzęgło jest wolny). Uproszczony model dobrze obrazuje ten problem.

Czy znasz sposób na zablokowanie obracającego się wału "względem siebie", tj. poprzez zachowanie stopni swobody w płaszczyźnie promieniowej i na osi osi? A może widzisz inny sposób na zasymulowanie mojego problemu?

Oczywiście nie jest możliwe zastosowanie momentu oporu odpowiadającego momentowi obrotowemu generowanemu przez nacisk na ostrza (nawet przy 2 identycznych przeciwstawnych momentach obrotowych SW nie może obliczyć).

Z góry dziękuję za pomysły i sugestie.

Załączam uproszczony wzór.

rotor_shematise.sldprt

[froussel]

Witam

Twój wynik niekoniecznie jest aż tak źle reprezentatywny: będzie różnica w zachowaniu między drzewem połączonym z twoim generatorem a tym, które tylko prowadzi (może się swobodnie obracać, a wysiłki nie pójdą na jego stronę).

Opcjonalnie możesz zablokować obrót na przedłużeniu wału, który został zablokowany. Wykonujesz wytłoczenie o znacznie mniejszej średnicy i blokujesz obrót na końcu tej średnicy. Dodany koniec wału będzie miał szalone ograniczenia i duże przemieszczenie z powodu skręcania, ale modelowanie zachowania wału z pewnością będzie nieco dokładniejsze (uważaj, aby obrót nie stwarzał problemów pod względem przyłożenia siły)

[m_blt]

Witam

To podejście różni się nieco od podejścia do wałka giętkiego proponowanego przez @froussel.

Byłoby interesujące wiedzieć, w jaki sposób "para" jest przesyłana do odbiorcy, aby potwierdzić, że jest to rzeczywiście para...
Brak podparcia typu momentu obrotowego w module symulacji oprogramowania. Aby zbliżyć się tak blisko, jak to możliwe, możemy pomyśleć o dwóch diametralnie przeciwległych podporach punktowych, na poziomie powierzchni wyjściowej szybu, z normalną styczną do krawędzi tej powierzchni.
Cel ten osiąga się poprzez wykonanie niewielkiej obróbki w celu zlokalizowania dwóch punktów oraz odpowiedni wybór powierzchni odniesienia i związanego z nią przemieszczenia (zero według z). Co sprowadza się do wynalezienia na nowo podwójnego klucza...
   
Obliczenia przebiegają normalnie, a wyświetlanie wyników pokazuje, że punkty w strefie końcowej są przesuwane we wszystkich trzech kierunkach.

Minus: jeśli spojrzymy na wyniki, zobaczymy, że te dwie "jednorazowe" próby nie mają tego samego standardu, co świadczy o tym, że nie do końca są parą.
Możliwe jest wykorzystanie wartości przemieszczeń następujących po z na poziomie tych dwóch podpór punktowych, aby normy były identyczne (około 0,004 mm, wał jest bardzo sztywny w stosunku do przyłożonych sił). Potwierdza to, że powierzchnia czołowa na końcu wału porusza się nieznacznie wzdłuż z, jeśli odbiornik wywiera czysty moment obrotowy. Co prowadzi nas z powrotem do pierwotnego pytania: czy to para?
Oczywiście naprężenia nie powinny być brane pod uwagę w pobliżu tych dwóch "kluczowych" punktów.

Pozdrowienia

schemat wirnikabis.sldprt
rotorschematisebis.png

[Zozo_mp]

Witam

Nadal łatwiej byłoby wcześniej przeprowadzić symulację przepływu, która już teraz dałaby lepszą wiedzę na temat kształtu przepływu i występujących ciśnień.

[HS WŁ.]

Pozwalam sobie wyrazić swoją opinię na temat modelu, a także podejścia     (proszę nie głową), we wszystkich istniejących turbinach nie ma żadnej z  dwoma diametralnie przeciwstawnymi podporami (przepraszam @m.blt  pomysł jest dobry z wieloma ograniczeniami, ale nie polecam do końca tego samego podejścia.

Po co! Wśród trzech najpopularniejszych typów turbin (Francis, Kaplan i Pelton) to, co byłoby zbliżone do twojego modelu (bez wydajności), to Pelton, który ma ściśle styczny przepływ, podczas gdy Kaplan działa jak śruba napędowa łodzi z owiewką, a Francis ma przepływ od wewnątrz na zewnątrz turbiny.

Z mojego punktu widzenia istotna jest jedynie analiza przeprowadzona na przepływie stycznym ograniczonym do wysokości wklęsłego ostrza.

Jeśli       woda uderzy w całą turbinę, wiadro skierowane do wody swoją wypukłą stroną z definicji nie jest tak wydajne jak wiadro, które jednocześnie oferuje swoją wklęsłą powierzchnię do przepływu wody.

Wszystko po to, aby stwierdzić, że musimy przynajmniej rozpatrywać te dwie siły oddzielnie. W tym celu należy zasymulować powierzchnię wypukłą, a następnie powierzchnię wklęsłą, a następnie przeprowadzić symulację PEF z tymi dwiema wartościami.

Bardzo dużym problemem jest znajomość sił działających na wypukłe ostrza, ponieważ w przypadku wklęsłych można trochę oszukać.
Z drugiej strony, jeśli masz rynnę lub dysze, które mają swój styczny strumień, problem jest znacznie prostszy.
Należy pamiętać, że symulacja statyczna da ci tylko przybliżenie, ponieważ nie będziesz w stanie zintegrować wibracji, częstotliwości itp. w twoim modelu itp... itd...

Najbliższe twojemu obrazowi byłyby wentylatory styczne, ale których zasada cyrkulacji przepływu jest zupełnie inna.

[HS /WYŁ.]

Pozdrowienia

 

[m_blt]

Witaj @Zozo_mp, witaj @Atn,

Nie ma dysonansu między naszymi propozycjami, tylko przestrzenna i czasowa luka w przewidywanym modelowaniu/symulacji.
Twój rozwój turbin umieszcza Cię na wejściu systemu i dotyczy badań nad działaniami, jakie płyn będzie wywierał na wirnik, poprzez badanie przepływu i pola ciśnienia na łopatkach.

Jestem na drugim końcu łańcucha mocy, gdzie odbiornik powinien wywierać działanie oporne (w zasadzie). Pytanie postawione przez @Atn dotyczy zdolności drzewa do wytrzymywania sił oraz oceny wynikających z nich odkształceń i naprężeń.
"Mój problem polega na wymuszonym przemieszczeniu, które blokuje obrót".
Model przewidziany  do unieruchomienia wału to czysta para.
Taki jest cel uproszczonego utworu, który stanowi podstawę do refleksji.

Doskonale zdaję sobie sprawę z tego, że rozłożone obciążenie działające na obszar pryzmatycznego pnia w środku uproszczonego wału jest bardzo dalekie od bycia realistycznym modelem działania płynu i wirnika... Nie widzę jednak, jak na podstawie dostarczonych danych złożyć kolejną propozycję.

Moja propozycja dotyczy po prostu tego, jak unieruchomić drzewo za pomocą tego, co jest najbliższe "czystej parze". Wątpiąc w adekwatność tego modelu w odniesieniu do rzeczywistego rozwiązania...
Podobnie jak Ty o modelowaniu działań płynu/wirnika, zastanawiam się, jak zamodelować to działanie odbiornika na wale wyjściowym.

Pozdrowienia.

[froussel]

Dziękuję @Zozo_mp za jego dygresje, które pozwoliły mi zainteresować się cudownym światem turbin.

Biorąc pod uwagę konstrukcję @Atn jego turbina musi być zaprojektowana na niskie spadki, a niekoniecznie na ogromny przepływ (więc tylko Kaplan może być w tym samym rejestrze użytkowania) lub płyn inny niż woda.

Z drugiej strony, jeśli jego płyn jest cieczą, dużym problemem związanym z jego konstrukcją jest ewakuacja tej cieczy po uderzeniu w górne łopatki: "utknie" w kole i może bardzo mocno pogorszyć ogólną wydajność konstrukcji (zjawisko nieobecne w 3 turbinach wymienionych przez zozo, które prawidłowo odprowadzają płyn).

[Zozo_mp]

Witam @froussel 

Dobrze zgadzam się z tobą w sprawie ewakuacji wody.

Tylko ogon dorsza o ściśle stycznym przepływie pozwoliłby na uzyskanie wyniku.

Dodam do tytułu dygresji ;-) ;)  ,  że nawet piko-turbiny korzystają mniej więcej z tych trzech modeli, które wymieniłem.

Zastanawiałem się nad pytaniem!!!!! 
Czy nie byłaby to praca studenta, który nie widział lub nie zinterpretował błędnie turbin Fourneyrona, chociaż model byłby bliższy turbinie Poncelet i jej zakrzywionym łopatkowym kołom wodnym.

Krótko mówiąc, poczekajmy na dodatkowe informacje od osoby ubiegającej się o wizę po raz pierwszy, która na razie nie wydaje się być w stanie nam odpowiedzieć.

Pozdrowienia

[atn]

Witam wszystkich i dziękuję za odpowiedzi, jestem pod wrażeniem waszej reakcji i zainteresowania moim pytaniem. Staram się dać globalną odpowiedź.

Po pierwsze, jest to turbina o przepływie krzyżowym (lub Banki-Mitchell), czyli o "przepływie przelotowym". Jest to turbina o działaniu, w której płyn jest wtryskiwany do sektora dolotowego o powierzchni około 1/3 okręgu (a nie na całym wirniku, jak ma to miejsce w przypadku turbiny wiatrowej Savonius). Płyn dostaje się do wirnika, przechodząc przez pierścień ostrza po raz pierwszy, a następnie opuszcza go, przechodząc przez niego po raz drugi; Dlatego działa na pierścień łopatki podczas wchodzenia i wychodzenia z wirnika.

Biorąc pod uwagę złożoność przepływu w tego typu turbinach oraz brak środków/czasu, nie przewiduje się symulacji przepływu; Stąd prymitywne modelowanie zjawiska z naciskiem wywieranym tylko na dolną powierzchnię łopatek. Z tego samego powodu, nie znając dokładnie wpływu płynu na wylot wirnika, nie jest on brany pod uwagę (a priori bezpieczny).

@froussel, dzięki za sugestię. Przetestowałem to, ale tak jak się obawiałeś, dostaję "duże przemieszczenia", gdy zmniejszam średnicę przedłużenia wału, aby uzyskać wystarczającą swobodę. I odwrotnie, jeśli zdefiniuję średnicę wystarczająco dużą, aby przejąć moment obrotowy bez dużych przemieszczeń, tracimy efekt elastyczności. Czy opcja dużych przemieszczeń solvera denerwuje dokładność wyników?

Testowałem inne rozwiązanie z czymś w rodzaju sprzęgu "oponowego", ale jestem tylko w testach wstępnych. Wydaje się, że stwarza mniej problemów związanych z "dużymi przemieszczeniami" z powodu skręcania drzewa. Pierwsze wyniki wskazują na znikomą różnicę pod względem naprężeń między pierwotną wersją "obrotowego blokowania powierzchni cylindrycznej" a wersją "sprzęgła oponowego"; Ale zniekształcenie początkowej wersji jest dość niepokojące wizualnie.

@m.blt, dzięki również za sugestię. To, co mi przeszkadza w tym rozwiązaniu, to fakt, że koniec wału jest nadal pokryty na płaszczyźnie XY, tak mi się wydaje (może się tylko wyginać w górę lub w dół). Jeśli chodzi o twoje pytanie o parę, tak, jest to para "stosunkowo na końcu drzewa". Zdeformowane położenie końca wału jest nieruchome. Oczywiście półsprzęgło po stronie odbiornika będzie przeciwdziałało przemieszczeniu końca wału, ale w jakim stopniu...?

@Zozo_mp, nie pracuję w Siemensie i niestety nie jesteśmy w stanie brać pod uwagę drgań i innych zjawisk (ani czasu, ani zasobów materialnych ;). Nie jest to celem tego badania. Badanie przepływu i wydedukowanie pola ciśnienia byłoby rzeczywiście interesujące, ale obawiam się, że brakuje nam na to środków. Nie wiem też, jak zintegrować wyniki symulacji "przepływu" z badaniem mechanicznym.

Czy wiesz, czy w innych programach, takich jak Ansys lub Abaqus, są bardziej odpowiednie linki?

Pozdrowienia

Anthony

[m_blt]

Dobry wieczór

Ponieważ rozwiązanie momentu obrotowego oparte na dwóch punktualnościach Cię nie przekonało. A jednak... ;o)
Ponieważ "miękki" wałek nie jest bardziej odpowiedni...
Pozostaje rozwiązanie w postaci ruchomego sprzęgła przegubowego typu Oldhama, w zrewidowanej formie, ze stykami przystosowanymi do uzyskiwania "właściwych" stopni swobody. Ten wybór, ze względu na typ mechanizmu, wymaga utworzenia zespołu reprezentującego złącze sprzęgające.

Wszystko znajduje się w załączonym pliku zip (SW 2021 i Word doc).

Pozdrowienia

rotorschematisebis.avi
rotorschematisebis.zip

[Zozo_mp]

Witam @Atn 

Dziękuję za wyjaśnienie dotyczące typu turbiny.

Powiedziałbym, że w pewnym sensie upraszcza to problem, ponieważ możliwe staje się zredukowanie PB do dwóch rodzajów interakcji: przepływu przychodzącego (ciśnienia) i ciężaru wody na odpływającej części przepływu (innymi słowy, wiśniowe ogony dla drugiej)

Myślę, że łatwiej jest zacząć od kompletnego modelu (znalazłem twardy model w necie), ponieważ łopatki, jak i wzmocnienia dystansowe w bardzo dużym stopniu wpływają na sztywność całości. Z mojego punktu widzenia konieczna jest symulacja całego systemu, ponieważ przekładki i łopatki również usztywniają układ.

Jeśli możesz poczekać do poniedziałku (jestem w drodze), zrobię ci symulację. Z drugiej strony upewnij się, że przekładki łączą się z wałem centralnym jak na zdjęciach.

Podaje również przybliżone  rozmiary różnych elementów.

Pozdrowienia

 

[atn]

Witam

@m.blt, bardzo dziękuję za badania i bardzo szczegółową procedurę, wyobrażam sobie, że poświęciłeś swój wieczór mojemu problemowi. Nie miałem jeszcze czasu, aby wypróbować Twoją metodę na szczegółowym modelu wirnika, ale przyjrzę się temu. Mam nadzieję, że moja maszyna poradzi sobie z tymi śliskimi stykami; Jestem już ograniczony do rozwiązania problemu za pomocą porządnej siatki i mam wrażenie, że wymagana pojemność bardzo wzrasta przy zastosowaniu styków ślizgowych. Do zobaczenia.

@Zozo_mp symulacja jest faktycznie przeprowadzana na szczegółowym modelu wirnika. Wersja uproszczona służy tylko do wykonywania szybkich testów i obserwacji zachowania strony DE wału zgodnie z zastosowanymi połączeniami. To powiedziawszy, myślę, że uproszczony model jest dość reprezentatywny dla rzeczywistego modelu.

Przekładki w dużym stopniu wpływają na sztywność całości. Są to korony, nie są dopasowane do drzewa. Tylko boczne kołnierze i środkowa przekładka są owinięte folią termokurczliwą na wale.

Działanie płynu na wylocie wirnika nie jest bez znaczenia, ale bardzo trudne do oszacowania; Mówimy o ~20-30% i tak samo. Z drugiej strony bardzo trudno jest określić, na ile ostrzy działa, na które, z jaką siłą (prawdopodobnie bardzo zmienną w zależności od ostrza); Z tego powodu zaniedbuje się działanie wyjściowe i dlatego cały moment obrotowy jest przykładany do łopatek wlotowych (poprzez nacisk na dolną powierzchnię). Oddziaływanie na łopatki wylotowe miałoby wpływ na zrównoważenie sił (bardziej symetryczne) i odciążenie łopatek sektora dolotowego. To uproszczenie wydaje mi się zatem bezpieczne.

Trochę mi przeszkadza, że zmuszasz Cię do takiej pracy, nawet jeśli wydaje się to być pasją ;-). Oto główne wymiary badanego wirnika.

• Średnica wirnika: 400 mm.
• Średnica wału: 90 mm.
• Szerokość łopatki: 740 mm z centralną przekładką owiniętą folią termokurczliwą na wale rozdzielającą koszyk na dwie części 475/265 mm.
• Moc: 250 kW, 470 obr/min, 5 kNm.

Nie będę w stanie odpowiedzieć w przyszłym tygodniu, przyjrzę się problemowi ponownie w następnym tygodniu.

Pozdrowienia

Anthony

[Zozo_mp]

Witaj @ all i @ All   i @Atn 

Proszę o Twoją opinię!

Nie zgadzam się z następującą uwagą @Atn      """"""Cały moment obrotowy jest przykładany do łopatek wlotowych (poprzez nacisk na dolną powierzchnię)"""

Chociaż w przypadku turbiny nie możemy mówić o dolnych powierzchniach (w sensie skrzydeł samolotu), powiedziałbym, że nacisk wywierany jest na wklęsłą część (wewnątrz łopatki jak w przypadku Peltona), w rzeczywistości, aby coś było na intrado, musiałby być przepływ laminarny, podczas gdy tutaj jesteśmy bardziej w przepływie turbulentnym. Przy czasie świtu wynoszącym kilka milisekund nie ma czasu na efekt intrado AMHA

Istnieją również zauważalne różnice w zależności od tego, czy  masz regulator przepływu pionowego, czy poziomego! Ale hej!   (patrz widok 2)

Zadaję pytanie, aby włożyć odpowiedni wysiłek w świt    . (jutro o świcie, o czasie, gdy wieś bielejeje, będę rysował)

Pozdrowienia

 

flux___vue_1.jpg
flux___vue_2.jpg