تحلیل ارتعاشی و بررسی تغییرات فشار بر روتور توربین با تاکید بر تعامل کوپل و بدون کوپل سازه و سیال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه جامع امام حسین (ع)

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

چکیده

پره توربین وظیفه استخراج انرژی در فشار بالا را دارد که در معرض نیروی گریز از مرکز و نیروهای سیال قرار می‌گیرد. در این مقاله ابتدا تحلیل ارتعاشی پره توربین و تأثیر فشار وارد بر سطح روتور[i] در تعامل سازه و سیال بررسی شده است. سپس با مدل‌سازی و صحت‌سنجی نتایج و کوپل سیال و سازه، میزان جابه‌جایی و تغییر فرکانس ارتعاشی پره توربین در سه جنس مختلف بررسی می‌گردد. نتایج نشان می‌دهد با افزایش سرعت ورودی جریان سیال، میزان فشار وارد بر روتور افزایش یافته و در نتیجه دامنه نوسانات ارتعاشی نیز افزایش می‌یابد. همچنین نتایج حاصل از کوپل دوطرفه نشان می‌دهد که تغییرات فشار بر روی روتور در حالت کوپل کمتر و ملایم‌تر از حالت بدون کوپل است. فشار وارد بر سطح روتور از جلوی روتور به مرکز روتور حرکت کرده و همچنین فشار در حالت کوپل در سطح پایینی روتور افزایش و در سطح بالایی روتور کاهش یافته است.



[i]. Rotor

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Vibrational analysis and investigation of pressure variations on turbine rotor with emphasis on coupling and uncoupling fluid and solid interaction

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Elhami 1
  • Mohammad Reza Najafi 2
1 Mechanical Engineering Department, Imam Hossein comprehensive University, Tehran, Iran
2 Mechanical Engineering Department, Imam Hossein comprehensive University
چکیده [English]

پره توربین وظیفه استخراج انرژی در فشار بالا را دارد که در معرض نیروی گریز از مرکز و نیروهای سیال قرار می‌گیرد. در این مقاله ابتدا تحلیل ارتعاشی پره توربین و تاثیر فشار وارد بر سطح روتور در تعامل سازه و سیال بررسی شده است. سپس با مدلسازی و صحت سنجی نتایج و کوپل سیال و سازه، میزان جابجایی وتغییر فرکانس ارتعاشی پره توربین در سه جنس مختلف بررسی می گردد. نتایج نشان می‌دهد با افزایش سرعت ورودی جریان سیال، میزان فشار وارد بر روتور افزایش یافته و در نتیجه دامنه نوسانات ارتعاشی نیز افزایش می‌یابد. همچنین نتایج حاصل از کوپل دو طرفه نشان می‌دهد که تغییرات فشار بر روی روتور در حالت کوپل کمتر و ملایم تر از حالت بدون کوپل می‌باشد. فشار وارد بر سطح روتور از جلوی روتور به مرکز روتور حرکت کرده و همچنین فشار در حالت کوپل در سطح پایینی روتور افزایش و در سطح بالایی روتور کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vibration
  • modal analysis
  • turbine rotor
  • pressure variations
  • fluid and solid interaction
 
[1]   Bazilevs, Yuri, Kenji Takizawa, and Tayfun E. Tezduyar, “Computational fluid-structure interaction: methods and applications”, John Wiley & Sons, 2013.
[2]   Souli, M'hamed, and David J. Benson, eds., “Arbitrary Lagrangian Eulerian and fluid-structure interaction: numerical simulation” John Wiley & Sons, 2013.
[3] تشکری بافقی، محمد، الهامی، محمدرضا، و ربیعی، علیرضا، "تحلیل عددی پدیده تعامل سیال-سازه بر روی پره توربین"، نشریه علمی مکانیک سیالات و آیرودینامیک، دوره 4، شماره 2، پاییز و زمستان 1394.
[4] Farhat, C., “Parallel and distributed solution of coupled nonlinear dynamic aeroelastic response problems”, J. Wiley & Sons, 1997.
[5] Rifai, Steven M., Zdeněk Johan, Wen-Ping Wang, Jean-Pierre Grisval, Thomas JR Hughes, and Robert M. Ferencz, "Multiphysics simulation of flow-induced vibrations and aeroelasticity on parallel computing platforms", Computer methods in applied mechanics and engineering, 1999, Vol.174, no.3-4, pp.393-417.
[6] Pahlke, Klausdieter, "Berechnung von Strömungsfeldern um Hubschrauberrotoren im Vorwärtsflug durch die Lösung der Euler-Gleichungen”, PhD diss., 1999.
[7] Hierholz, Karl-Heinz, “Ein numerisches Verfahren zur Simulation der Strömungs-Struktur-Interaktion am Hubschrauberrotor”, VDI-Verlag, 1999.
[8] Dubini, G., Riccardo Pietrabissa, and Franco Maria Montevecchi, "Fluid-structure interaction problems in bio-fluid mechanics: a numerical study of the motion of an isolated particle freely suspended in channel flow", Medical engineering & physics, 1995, Vol.17, no.8, pp.609-617.
[9] Peskin, Charles S., "The immersed boundary method", Acta numerica, 2002, Vol.11, pp.479-517.
[10] Hou, Gene, Jin Wang, and Anita Layton, "Numerical methods for fluid-structure interaction—a review", Communications in Computational Physics, 2012, Vol.12, no.2, pp.337-377.
[11] Stodola, Aurel, “Steam and gas turbines: with a supplement on the prospects of the thermal prime mover”, Vol.2, McGraw-Hill, 1927.
[12] Dimitriadis, E. K., "The Vibration of Packeted-Bladed Discs Alloys", PhD diss., MSc. Thesis., Imperial College, 1979.
[13] Salama, A. L., and M. Petyt, "Dynamic response of packets of blades by the finite element method”, Trans ASME, Journal of Mechanical Design, 1978, Vol.100, no.41978, pp.660-666.
[14] Judge, John, Christophe Pierre, and Oral Mehmed, "Experimental investigation of mode localization and forced response amplitude magnification for a mistuned bladed disk", J. Eng. Gas Turbines Power, 2001, Vol.123, no.4, pp.940-950.
[15] Gordon, Robert, and Joseph Hollkamp, "An experimental investigation of non-uniform damping in blade-disk assemblies", In 34th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1998, p.3747
[16] Roemer, Michael J., Stephen H. Hesler, and Neville F. Rieger, "On-site modal testing of low-pressure turbine blade rows", Sound and Vibration, 1994, Vol.28, no.5, pp.16-22.
[17] Orsagh, R. F., and M. J. Roemer, “Examination of Successful Modal Analysis Techniques Used for Bladed-Disk Assemblies”, IMPACT TECHNOLOGIES LLC ROCHESTER NY, 2002.
[18] Pereira, J. C., L. A. M. Torres, Tractebel Energia, E. da Rosa, and H. Bindewald, "A Low Cycle Fatigue Analysis on a Steam Turbine Bladed Disk-Case Study", In 12th IFTMMMWorld Congress, 2007, pp. 18-21.
[19] Hou, Jianfu, and Bryon J. Wicks, “Root flexibility and untwist effects on vibration characteristics of a gas turbine blade”, DEFENCE SCIENCE AND TECHNOLOGY ORGANIZATION VICTORIA (AUSTRALIA) PLATFORM SCIENCES LAB, 2002.
[20] Forbes, Gareth L., Osama N. Alshroof, and Robert B. Randall, "Fluid-structure interaction study of gas turbine blade vibrations", Australian Journal of Mechanical Engineering, 2011, Vol.8, no.2, pp.143-150.
[21] Alshroof, O., Gareth Forbes, and R. Randall, "Relationship between the pressure at the casing wall and at the blade tip for a vibrating turbine blade", In Proceedings of the 17th Australasian Fluid Mechanics Conference., Australasian Fluid Mechanics Society, 2010.
[22] Alshroof, Osama N., Gareth L. Forbes, Nader Sawalhi, Robert B. Randall, and Guan H. Yeoh, "Computational fluid dynamic analysis of a vibrating turbine blade", International Journal of Rotating Machinery, 2012.
[23] Badshah, Mujahid, Saeed Badshah, and Kushsairy Kadir, "Fluid structure interaction modelling of tidal turbine performance and structural loads in a velocity shear environment", Energies, 2018, Vol.11, no.7, p.1837.
[24] Badshah, Mujahid, Saeed Badshah, and Sakhi Jan, "Comparison of computational fluid dynamics and fluid structure interaction models for the performance prediction of tidal current turbines", Journal of Ocean Engineering and Science, 2020, Vol.5, no.2, pp.164-172.
[25] Gu, Jintong, Fulin Cai, Norbert Müller, Yuquan Zhang, and Huixiang Chen, "Two-Way Fluid–Solid Interaction Analysis for a Horizontal Axis Marine Current Turbine with LES", Water, 2020, Vol.12, no.1, p.98.
[26] Zeyu, Zhang, Hui Jizhuang, Suo Xuefeng, Zhang Fuqiang, and Lei Jingyuan, "Fluid-solid interaction analysis of torque converters", High Technology Letters, 2019, pp.239-244.
[27] S. S. Rao, “Mechanical Vibrations”, Pearson Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, USA, 4th edition,2004.
[28] G. Genta, “Dynamics of Rotating systems”, Springer, 2005.