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Modal analysis of a spinning disk in a dense fluid as a model for high head hydraulic turbines

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RESUME Dans les turbines Francis de hautes chutes et dans les pompes-turbines en particulier, les Interactions Rotor Stator (RSI) sont une source d’excitation inevitable qui doit etre predite avec precision.… Click to show full abstract

RESUME Dans les turbines Francis de hautes chutes et dans les pompes-turbines en particulier, les Interactions Rotor Stator (RSI) sont une source d’excitation inevitable qui doit etre predite avec precision. Une connaissance pointue des caracteristiques dynamiques des turbines, notamment de la variation des frequences naturelles du rotor en fonction de la vitesse de rotation et de la masse ajoutee de l’eau avoisinante, est essentielle a la prediction de resonances potentielles et de l’amplification des vibrations resultantes. Dans ces machines, la couronne et la ceinture de la roue ainsi que les flasques superieur et inferieur possedent une structure similaire a un disque, ce qui donne lieu a l’apparition de modes diametraux et a un phenomene de separation des frequences pour lequel aucune methode de prediction efficace n’existe a ce jour. Les methodes d’Interactions Fluide-Structure (IFS) completement couplees coutant trop cher en temps de calcul, un modele simplifie base sur l’approche de force modale serait un outil puissant en terme de design et de prediction de temps de vie de ces turbines. Ce travail presente le developpement d’un modele analytique et d’un modele de Mecanique des Fluides Numerique (CFD) pour les disques en rotation dans un fluide dense, permettant la prediction precise de la separation et du decalage des frequences qui sont observes experimentalement. De plus, une explication sur l’origine physique du phenomene de separation des frequences en est deduite. Ces modeles sont valides par comparaison avec des donnees experimentales.----------ABSTRACT In high head Francis turbines and pump-turbines in particular, Rotor Stator Interactions (RSI) are an unavoidable source of excitation that needs to be predicted accurately. Precise knowledge of turbine dynamic characteristics, notably the variation of the rotor natural frequencies with rotation speed and added mass of the surrounding water, is essential to assess potential resonance and resulting amplification of vibrations. In these machines, the disk-like structures of the runner crown and band as well as the head cover and bottom ring give rise to the emergence of diametrical modes and a mode split phenomenon for which no efficient prediction method exists to date. Fully coupled Fluid-Structure Interaction (FSI) methods are too computationally expensive; hence, a simplified method based on the modal force approach would be a powerful tool for the design and expected life prediction of these turbines. This work presents the development of both an analytical and a numerical Computational Fluid Dynamics (CFD) model for a rotating disk in dense fluid, which accurately predict the natural frequency split as well as the natural frequency drift that are observed empirically. Additionally, insight is given on the physical origin of the mode split phenomenon. These models are validated by comparison with experimental data.

Keywords: high head; fluid; prediction; disk dense; des frequences

Journal Title: Journal of Fluids and Structures
Year Published: 2020

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