Fluid structure interaction in circular blade cascade

Abstract

Når væske strømmer over en struktur, kan det utvikles uønskede virvler. I vannkraftindustrien er dette et stort problem som kan genereres i ledeskovler, der virvler går på tvers inn i løperen og forårsaker vibrasjoner. Selv om det er flere forskjellige virvler som kan bli observert, undersøker dette nåværende arbeidet von Kármán virvelavgivelse. Økende energibehov krever et bredere driftsområde for vannkraftverkene, noe som resulterer i høyere dynamiske belastninger. I tillegg produseres turbinblader tynnere for å redusere kostnadene. Som et resultat har katastrofale strukturelle feil blitt rapportert.

Hensikten med dette nåværende arbeidet er å undersøke fluid-struktur interaksjonen, for å utvikle en bedre forståelse av virvelinduserte vibrasjoner og strukturelle feil. En tredimensjonal sirkulær kaskade med åtte blader er forberedt og simulert for en rekke hastigheter for å undersøke strømningen og virvelavgivelsen. Overvåkede trykkverdier viste oscillasjoner, noe som indikerte virvelavgivelse. Videre analyse tydet imidlertid på at dette ikke var tilfelle.

Modal analyse har blitt utført for å evaluere de naturlige frekvensene til modusformer, med også en akustisk analyse for å ta hensyn til hydrodynamisk demping, ved å representere det omgivende fluidet med et akustisk domene. En harmonisk respons har blitt undersøkt ved å bruke Macro-Fiber Composite (MFC) piezoelektriske patcher for å eksitere bladene ved ønskede frekvenser. Dette var for å undersøke hvilke frekvenser det kan forventes at frekvensinnlåsing vil skje og dermed en indikasjon på hvilket frekvensområde som bør unngås. Den første bøyemodusen med luft og den femte bøyemodusen i vann, begge ved bakkanten, ga størst amplitude. I tillegg er det utført en enveis fluid-struktur interaksjon (FSI) for å undersøke hydrodynamiske effekter. Bladet ble foreskrevet med en bevegelse av den første modusformen, og dempingsforholdet ble numerisk bestemt. Denne analysen indikerte ubetydelig demping på grunn av svært lave amplituder i deformasjonen, og det ble ikke observert virvelavgivelse.

En toveis FSI-analyse er utført for å undersøke hvordan væskestrømmen og virvelavgivelsen samhandler med strukturen. Modellen har simulert strømningsfeltet for et relativt høyt tidstrinn, og ga resultater som ligner på enveis FSI og de forbigående CFD-simuleringene. Det ble imidlertid raskt ustabilt for når tidstrinnet ble redusert. Strukturelle analyser viste også områder med høy spenning nær nav og deksel nær bakkanten.

When fluid flows across a structure, unwanted vortices can develop. In the hydropower industry, this is a major problem that can be generated in guide vanes that transverse into the runner, causing vibrations. Though there are several different vortices that can be found in a hydropower plant, this present work investigates von Kármán vortex shedding. Growing energy demand requires a wider operation range of the hydropower plants resulting in higher dynamic loads. Turbine blades are manufactured thinner to reduce costs. As a result, catastrophic structural failures have been reported.

The purpose of this present work is to investigate the fluid structure interaction, to develop a better understanding on the vortex induced vibrations and structural failures. A three-dimensional circular cascade of eight blades is prepared and simulated for a range of velocities to investigate the fluid flow and vortex shedding. Monitored pressure values exhibited oscillation, which indicated vortex shedding. However, further analysis indicated that this was not the case. Modal analysis has been carried out to evaluate the natural frequencies of the eigenmodes, with also an acoustic analysis to account for hydrodynamic damping, by representing the surrounding fluid with an acoustic domain. A harmonic response has been investigated using Macro-Fiber Composite (MFC) piezoelectric patches to excite the blades at desired frequencies. This was to investigate the frequencies at which frequency lock-in may be expected to occur and thus an indication of which frequency range to avoid. The first bending mode with air and the fifth bending mode in water, both at the trailing edge yielded the greatest amplitude. Moreover, a one-way Fluid-Structure Interaction (FSI) has been carried out to investigate hydrodynamic effects. The blade was prescribed with a motion of the first mode shape, and damping ratio was numerically determined. This analysis indicated negligible damping due to very low amplitudes in the deformation, and no vortex shedding was observed. A two-way FSI analysis has been carried out to investigate how the fluid flow and vortex shedding interacts with the structure. The model successfully simulated the flow field for a relatively high time step, yielding similar results to one-way FSI and the transient CFD simulations. However, it quickly became unstable for when the time step was reduced. Also, structural analysis showed high stress regions near hub and shroud close to the trailing edge.