Added mass forskyvning av egenfrekvenser

Denne masteroppgaven omhandler problemer knyttet til resonans i ledeskovlen i Francis-turbiner. Resonans er et problematisk område innenfor vannkraft, da det kan føre til store ødeleggelser i turbinen. Det har blitt skrevet en del om tidligere arbeid som er gjort innenfor dette fagfeltet, og sentrale artikler i oppgaven er blant annet forskning gjort ved NTNU i Trondheim og ved universitet i Lausanne i Sveits. I denne masteroppgaven er det sett på fem forskjellige lastsituasjoner. Disse er; ledeskovlen i stillestående luft, stillestående vann, stillestående vann med ekstra trykk på skovlen, strømmende vann og strømmende vann med spesifisert volumstrøm. Trykkamplitudene ble satt til å være på fire % av trykkhøyden i oppgaven. Dette ga synlige forskjeller mellom de ulike situasjonene. Den pulserende kraften ble satt på som en sinusamplitude på bladet til skovlen og det ble kjørt sju sykluser på hver frekvens i de ulike tilfellene. Egenfrekvensen til ledeskovlen ble først funnet ved hjelp av modal modulen i ANSYS, til å være på cirka 291 Hz i luft. Ved hjelp av CFX ble egenfrekvensen funnet til å ligge mellom 280 og 295 Hz i luft. Når skovlen så ble satt i stillestående vann ble egenfrekvensen funnet å være rundt 267 Hz. Når skovlen fikk en ekstra konstant last ble det ikke funnet noen spesielle tegn som kan tyde på resonans. Når skovlen ble satt i vann fikk skovlen større deformasjon jo større hastigheten på vannet var. Det ble heller ikke her funnet noen spesielle tegn til at det kunne ble resonansproblemer i ledeskovlen. I det siste forsøket ble det satt på en volumstrøm på 0,45 m3/sek, og det ble spesifisert korrekte størrelser på domene. Det ble funnet en maks deformasjon på cirka 2,5 mm etter at den syvende syklusen ble kjørt det var størst deformasjon når frekvensen var i nærheten av 267 Hz. Dette kan være litt farlig siden det er den frekvensen som blir generert fra løpehjulet. Det virker som om ledeskovlen blir stående å oscillere rundt en deformasjon på 2 mm men deformasjonen viser ingen synlige tegn til å øke etter som om det blir kjørt flere sykluser. Det virker derfor ikke som om det er noen spesielle grunner til at resonans skal oppstå ved bruk av denne ledeskovlen. This Master Thesis involves problems attributed to resonance in the guided vanes of The Francis Turbine. Resonance is a problematic area in hydropower because it can cause major damage to the turbine. This thesis has documented previous work done in this field. Key articles exhibited in this thesis include the research done at NTNU in Trondheim and The University of Lausanne in Switzerland. Five different load situations have been analyzed in this thesis. These situations include: guided vane in stagnant air, guided vane in stagnant water, guided vane in stagnant water with extra pressure on the guided vane blade, guided vane in flowing water and guided vane in flowing water with specified mass flow rate. The pressure amplitudes in this thesis were set to four percent of the total available head. This resulted in visible differences between the five situations. The pulsating force was placed on as sinus amplitudes on the guided vane blade. Seven cycles were calculated for each frequency in the five different cases. The Natural Frequency of the guided vane was first found by using the “modal module” setup in ANSYS. This module calculated the natural frequency to be approximately 291 Hz in air. By using ANSYS CFX the natural frequency was found to be between 280 and 295 Hz. When the guided vane was placed in stagnant water, the natural frequency was found to be around 267 Hz. When the guided vane was subjected to an extra constant load, no detailed indication of resonance was detected. Whilst the guided vane was subjected to water flow it deformed and increased in size as water velocity increased. No sign of resonance was detected here, in the guided vane either. A mass flow rate of 0,45 m3/s was used in the final experiment with the correct sizes of The Fluid Domain. A maximum deformation of approximately 2,5 mm was detected after the seventh cycle. The maximum deformation found on the guided vane was close to a frequency of 267 Hz. This can be a slightly dangerous since it is the same frequency which is generated from the runner. It seems that the guided vane oscillated around a deformation of 2 mm. The guided vane shows no visible signs of increasing in deformation whilst the number of cycles increases. It seems therefore to be no visible signs that resonance will occur when using this guided vane