ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Simulation von Strömungs-Struktur-Wechselwirkungen am Beispiel von Wasserturbinen (Fluid – Structure Interaction) Institut für Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen (IHS) Staatliche Materialprüfanstalt (MPA)

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Problemstellung Wasserturbinen sind zunehmend höheren dynamischen Belastungen ausgesetzt: Langer Off-Design-Betrieb, Höhere Lastzyklen, Kostenreduktion (schlankere Bauweise). => Strömungsangeregte Schwingungen

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Ziel des Projektes Erstellen von Simulationstools (Kopplung von Strömungs- und Strukturrechnungen) um Schwingungen und deren Auswirkungen vorhersagen zu können. Machbarkeitsstudie StrömungssimulationStruktursimulation Interfaces IHSMPA

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Kaplan-Turbine 1.Schwingungsanregung infolge gegenseitiger Beeinflussung der Bauteile (Leitrad – Laufrad –Interaktion 2.Selbsterregte Schwingungen infolge Strömungsinstabilitäten (z. B. Karmansche Wirbelstrasse)

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Karmansche Wirbelstrasse Druckfeld Anregende Kraft Größere Herausforderung für die Strömungssimulation

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Insel Guadeloupe Karmansche Wirbelstrasse in der Natur

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Anwendungsbeispiel Propellerlaufrad 1. Stationäre, Ein-Weg-Kopplung Annahme: Periodische Strömung, nur ein Schaufelkanal wird betrachtet

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ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS 2. Dynamische (selbsterregte) Schwingung Vereinfachung: Fest eingespannter Tragflügel Schwingungsanregung durch stumpfe Hinterkante

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Problem: Resonanz Wenn Anregungsfrequenz = Eigenfrequenz des Flügels ist => starke Schwingung Abschätzung der Anregungsfrequenz: L 0... Hinterkantendicke V 0... Strömungsgeschwindigkeit f 0... Anregungsfrequenz bei unterschiedlichen Betriebspunkten ändert sich die Geschwindigkeit und damit die Anregung.

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Eigenformen 1. Biegeschwingung: 21.8 Hz 1. Torsionsschwingung: Hz 2. Biegeschwingung: Hz 1. Lateralschwingung: Hz 2. Torsionsschwingung: Hz

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Anregende Kraft V=2.39m/s

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Fourier-Analyse

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ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS z. B. Anströmgeschwindigkeit: 11.1 m/s => Anregungsfrequenz: Hz Erhöhung der Anströmgeschwindigkeit ergibt höhere Anregungsfrequenz

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ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Zusammenfassung Simulationstools für gekoppelte Strömungs-Struktur- Berechnung wurden erstellt. Instationäre Strömungsanregungen und die daraus resultierende Verformungen und Spannungen können damit simuliert werden. Am Beispiel eines Tragflügels mit stumpfer Hinterkante wurden das Verhalten getestet.

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Ausblick Anwendung auf komplexe Turbinengeometrie Untersuchung von Verbesserungen (z. B. Hinterkantenformen) zur Reduzierung der Anregung.

ZES - Mitgliederversammlung University of Stuttgart Institute of Fluid Mechanics and Hydraulic Machinery, Germany IHS Vielen Dank für die Anschubfinanzierung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit