Estudi dels efectes de l'aigua en la vibració dels rodets de turbina Kaplan

Autor: Lumbreras González, Paula
Přispěvatelé: Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Mecànica de Fluids, Escaler Puigoriol, Francesc Xavier
Jazyk: Catalan; Valencian
Rok vydání: 2023
Předmět:
Popis: La finalitat d’aquest projecte és estudiar i representar com i en què afecta afegir una massa d’aigua al voltant dels rodets de turbina Kaplan en termes de vibració i, més concretament, de freqüències naturals i els seus modes vibratoris associats. Per tal de realitzar aquest estudi s’ha investigat numèricament la resposta modal de l’estructura, prèviament modelada en 3D, fent servir el mètode dels elements finits amb el programari d’Ansys. Els diferents apartats i passos seguits durant el seu desenvolupament són graduals en quant a dificultat d’execució i a apropar-se a la situació real de treball del rodet. En primer lloc, s’ha realitzat una simulació de la geometria simplificada del rodet d’estudi fixada en buit. D’aquest estudi inicial se n’han extret les primeres 20 freqüències naturals i modes vibratoris associats, i, un cop obtinguts aquests resultats, s’ha realitzat un estudi de sensibilitat del mallat utilitzat per diferents mides d’elements. A continuació, s’han validat els resultats obtinguts en buit realitzant una simulació del rodet fixat dins una esfera que simula un medi infinit d’aire, esperant trobar uns modes estructurals idèntics als ja calculats prèviament. Per poder crear el domini fluid al voltant del rodet, s’ha hagut de realitzar una simplificació de l’estructura combinant els seus sòlids i utilitzant eines de reparació disponibles al propi software utilitzat. Un cop preparat i realitzat l’estudi en aire, es conclou que el model és correcte per realitzar l’estudi en medi infinit d’aigua. Seguidament, s’ha replicat l’estudi anterior canviant el medi d’aire per aigua, per realitzar una comparació amb el comportament del rodet en el buit. Es comparen els valors de les freqüències naturals, la deformació que aquesta vibració provoca sobre els seus àleps i el moviment que es crea sobre el conjunt. Més enllà d’aquesta comparació, s’han agrupat els modes que representen un moviment del mateix tipus (flexió, torsió, etc...), per tal d’observar si es conserven independentment del medi que envolta el rodet, i s’analitzen i comparen els moviments que es produeixen a cada grup. Finalment, s’ha repetit el procediment anterior canviant l’esfera per la geometria del domini real d’aigua on el rodet treballarà tenint en compte els contorns solids. D’aquest estudi final s’obté la resposta estructural del rodet en les seves condicions habituals de treball i es compara amb l’estudi en el medi infinit d’aigua per tal d’observar la influència dels contorns en aquesta resposta La finalidad de este proyecto es estudiar y representar cómo y en qué afecta añadir una masa de agua alrededor de los rodetes de turbina Kaplan en términos de vibración y, más concretamente, de frecuencias naturales y sus modos vibratorios asociados. Para realizar este estudio se han simulado numérica y gráficamente estos resultados sobre su estructura, previamente modelada en 3D, utilizando el método de los elementos finitos con los programas de Ansys. Los diferentes apartados y pasos seguidos durante el su desarrollo son graduales en cuanto a dificultad de ejecución y a acercarse a la situación real de trabajo del rodete. En primer lugar, se ha realizado una simulación de la geometría simplificada del rodete de estudio fijada en vacío. De este estudio inicial se han extraído las primeras 20 frecuencias naturales y modos vibratorios asociados, y, una vez obtenidos estos resultados, se ha realizado un estudio de sensibilidad de la malla utilizada al tamaño de elemento. A continuación, se han validado los resultados obtenidos en vacío realizando una simulación del rodete fijado dentro de una esfera que simula un medio infinito de aire, esperando encontrar unos modos estructurales idénticos a los calculados previamente. Para poder crear el dominio fluido envolviendo al rodete, se ha tenido que realizar una simplificación de la estructura combinando sus sólidos y utilizando herramientas de reparación disponibles en el propio software utilizado. Una vez preparado y llevado a cabo el estudio en aire, se concluye que el modelo es correcto para realizar el estudio en medio infinito de agua. Seguidamente, se ha replicado el estudio anterior cambiando el medio de aire por agua, para hacer una comparación con el comportamiento del rodete en el vacío. Se comparan los valores de las frecuencias naturales, la deformación que esta vibración provoca sobre sus álabes y el movimiento que se crea sobre el conjunto. Más allá de esta comparación, se han agrupado los modos que representan un movimiento del mismo tipo (flexión, torsión, etc.), para observar si se conservan independientemente del medio que rodea al rodete, y se analizan y comparan los movimientos que se producen en cada grupo. Finalmente, se ha repetido el procedimiento anterior cambiando la esfera por la geometría del dominio real de agua donde el rodete trabajará. De este estudio final se obtiene la respuesta estructural del rodete en sus condiciones habituales de trabajo y compara con el estudio en el medio infinito de para observar la influencia de los contornos en esta respuesta The main goal of this project is to study and represent how adding a mass of water around runners of Kaplan turbines affect them in terms of vibration and, more precisely, of natural frequencies and their associated mode shapes. To do so, these results have been simulated numerically and graphically on their structure, previously modelled in 3D, using the finite elements’ method with Ansys software. The different parts of this document and the steps taken during its development are gradual when it comes to execution difficulty and to approaching the real working situation of the runner. First of all, a simulation of the simplified geometry of the runner fixed in vacuum has been performed. From this initial study, the first 20 natural frequencies and their associated mode shapes have been extracted and, once done so, a mesh sensitivity study to the element size has been computed. Next, the results obtained in vacuum have been validated by performing a simulation of the runner fixed inside a sphere that simulates an infinite environment made of air, expecting to find structural mode shapes identical to the ones already calculated. In order to create this fluid domain surrounding the runner, its structure has been simplified by combining its solids and using repairing tools available on the software used. Once the study in air has been prepared and performed, it is concluded that the model is correct to perform the study in an infinite medium of water. To continue, the last study has been replicated changing the medium of air for water, in order to compare it with the behavior of the runner in vacuum. The numerical values of natural frequencies, the deformation that this vibration causes on the runner’s blades and the movement provoked on the whole runner itself are compared. Moreover, the mode shapes that represent a same type of movement (bending, torsion, etc.) have been grouped together so that it can be observed if they are the same independently of the surrounding environment of the runner, and the movements of each group member are analyzed and compared. Lastly, the last procedure described has been repeated changing the surrounding sphere for the real water domain where the runner will work. The structural response of the runner in its usual working conditions is obtained from this final study and it is compared to the simulation in the infinite medium of water in order to observe the influence that the domain walls have on this response
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: