Hydroelastinen värähtely putkiturbiineissa

Abstract

Työssä on tarkasteltu hydroelastista l. neste-rakenne-vuorovaikutteista värähtelyä yleensä sekä sovellettu teoriaa vaaka-akselisten Kaplan-putkiturbiinien värähtelyanalyysiin. Teoriaosan tavoitteeksi asetettiin selvittää hydroelastisen värähtelyn eri ilmenemismuodot sekä kytkettyyn liikkeeseen vaikuttavat tekijät. Putkiturbiinien osalta tuli etsittäväksi värähtelyn syntymekanismit sekä keinot millä värähtelyä, s.o. rakenneosanliikettä tai nestealueen painevaihtelua, voidaan rajoittaa. Erityisesti oli tavoitteena kohdeyrityksen turbiineissa havaittujen lievien värähtelytapausten konstruktiivinen ratkaiseminen. Teoriaosassa puettiin kytketty tehtävä reuna-arvotehtävän asuun ja haettiin kirjallisuuden avulla analyyttiset ratkaisut muutamille erikoistapauksille. Näiden avulla ratkaistiin kysymys, milloin kytkentään osallistuu nesteen lisämassavaikutus, coriolis-voimat tai keskipakovoimat. Monimutkaisten geometrioiden käsittelemiseksi johdettiin nestealueelle FEM-malli, joka voidaan liittää rakenteen malliin. Putkiturbiineissa todettiin tärkeimmäksi herätetyypiksi siipien aiheuttama painevaihtelu, epäbalanssivoimat ja Karman-pyörteet. Ominaisvärähtelyjärjestelmiä sen sijaan löytyy lukuisia, joista tässä työssä keskityttiin kolmeen kotelotyyppisessä turbiinissa kammio- sekä kotelo nestealueineen; putkityypissä säätökaraöljypatsaineen. Värähtelyjen analysoimiseksi laadittiin kolmiosainen ohjelmisto (29 ohjelmamodulia), jolla saatiin seuraavat tulokset: Nestealue osallistuu kytkettyyn värähtelyyn yleensä passiivisena lisämassana; kokoonpuristuvuuden ja ohivirtauksen voimat ovat toisarvoisia. Kammion värähtely voidaan laskea kvasistaattisena ilman kytkentää, mutta kotelolle joudutaan laskemaan 6x6-lisämassamatriisi sekä etsimään kytketyn värähtelyn ominaistilat tukipalkkien mitoittamiseksi. Säätökaran värähtelystä löydettiin kytketyt akustiset resonanssitilat. Ohjelmien käytöstä saatiin myönteisiä kokemuksia. /Kir09