Evaluation of the vibration state and determination of the stress-strain state of the trash-rack structure of the hydroelectric power plants

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The study presents an approach for detecting and identifying the causes of damage to individual key elements of metal structures of the hydroelectric power plant’s trash-rack structure under anthropogenic dynamic impacts. Strength and hydraulic calculations were performed, as well as modal analysis of the structure. The approach is determined and instrumental measurements of actual dynamic characteristics of the trash-rack structure at different pressures are carried out.Materials and methods. A methodology consisting of two blocks was developed to perform measurements of dynamic anthropogenic impacts. The first block is an instrumental and visual inspection to determine the compliance of structures with design solutions, as well as to identify characteristic defects of the trash-rack structure. The measurement of natural frequencies of vibrations and vibration accelerations of structures at different pressures was carried out using piezoelectric vibration transducers AR90, the measurement of vibration accelerations by seismic receivers A16 and the receiving station MIC-200. The second block is mathematical modelling. The hydraulic regime and the stress-strain state were specified, frequencies and forms of natural vibrations of the structure were determined. Computational studies were carried out in the universal industrial software complex ANSYS Mechanical and ANSYS CFX.Results. The survey revealed the presence of systematically occurring cracks in the load-bearing frame, the mismatch of the position of the struts to the design. Hydrodynamic loads are specified, diameter and frequency of vortex formation are determined. The stresses in the metal struts do not exceed the standard values for the steel used. The performed direct measurement of vibration of structural elements demonstrated that the most dangerous frequency range is 40.30–41.75 Hz.Conclusions. It is revealed that the main cause of damage to the trash-rack structure is the displacement of forced frequencies and the shape of natural oscillations to the zone of operation of hydraulic units, which led to the concentration of stresses at the ends of the struts in the zone adjacent to the gussets. The junction of struts to the gusset had insufficient length, which led to the transfer of stresses to the edge of the gusset and, as a result, to the concentration of stresses and the formation of cracks in the direction of the main stresses in the node.

About the authors

A. S. Antonov

Branch of JSC “Design, survey and research institute «Hydroproject» named after S.Y. Zhuka” — “Research institute of energy structures” (Branch of JSC “Institute Hydroproject” — “NIIES”); Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: Antonov.An.S@yandex.ru
SPIN-code: 7374-6867

N. P. Karablin

Branch of JSC “Design, survey and research institute «Hydroproject» named after S.Y. Zhuka” — “Research institute of energy structures” (Branch of JSC “Institute Hydroproject” — “NIIES”)

Email: n.karablin@hydroproject.ru

K. Ju. Baud

Branch of JSC “Design, survey and research institute «Hydroproject» named after S.Y. Zhuka” — “Research institute of energy structures” (Branch of JSC “Institute Hydroproject” — “NIIES”)

Email: baudk@yandex.ru

I. V. Baklykov

Branch of JSC “Design, survey and research institute «Hydroproject» named after S.Y. Zhuka” — “Research institute of energy structures” (Branch of JSC “Institute Hydroproject” — “NIIES”)

Email: moscow_igor88@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8374-9046

References

  1. Селезнев В.Н. Прогнозирование энергетических характеристик обратимой гидромашины на напор до 250 м // Известия МГТУ МАМИ. 2022. Т. 16. № 1. С. 13–19. doi: 10.17816/2074-0530-104580. EDN TAWRPF.
  2. Жарковский А.А., Щур В.А., Мохаммад О. Прогнозирование энергетических и кавитационных характеристик быстроходных радиально-осевых гидротурбин // Известия МГТУ МАМИ. 2022. Т. 16. № 3. С. 225–324. doi: 10.17816/2074-0530-105208. EDN VJRJGU.
  3. Антонов А.С., Караблин Н.П., Минаков В.А., Карпинский А.В. Разработка и обоснование универсальной конструкции для энергетических испытаний в проточных трактах гидроэлектростанций // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 7. С. 933–943. doi: 10.22227/1997-0935.2022.7.933-943. EDN FSMPFY.
  4. Schiffer J., Benigni H., Jaberg H., Ehrengruber M. Reliable prediction of pressure pulsation in the draft tube of a Francis turbine at medium and deep part load: A validation of CFD-results with experimental data // Proceedings of Hydro 2018. Progress through Partnerships. 2018.
  5. Yang L.F., Zhang S.R., Liu W.N., Yang Y., Zhang Y.J. Application ANSYS CFX in modeling turbine Blade // Materials Science Forum. 2009. Vol. 626–627. Pp. 593–598. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.626-627.593' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.626-627.593
  6. Mohammed O., Aziz Y. CFD Modeling of simultaneous flow over broad crested weir and through pipe culvert using different turbulence models // Zanco Journal of Pure and Applied Sciences. 2018. Vol. 30. Issue 5. doi: 10.21271/ZJPAS.30.5.11
  7. Twayna R., Manandhar R., Singh B., Dahal D., Kayastha A., Thapa B.S. Numerical investigation of cavitation in Francis turbine // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1037. Issue 1. P. 012017. doi: 10.1088/1755-1315/1037/1/012017
  8. Мураева М.А., Гумеров А.В., Каримов Т.Р. Верификация методики газодинамического расчета осевой турбины в программном комплексе Ansys CFX на базе экспериментальных исследований плоских решеток // Вызовы современности и стратегии развития общества в условиях новой реальности : сб. мат. X Междунар. науч.-практ. конф. 2022. С. 132–137. doi: 10.34755/IROK.2022.32.24.045. EDN PNMEFL.
  9. Ahmed S., Aziz Y., Aziz Y. Numerical modeling of flow in side channel spillway using ANSYS-CFX // Zanco Journal of Pure and Applied Sciences. 2018. Vol. 30. Issue s1. doi: 10.21271/ZJPAS.30.s1.10
  10. Mohammed O.K., Aziz Y.W. CFD modeling of simultaneous flow over broad crested weir and through pipe culvert using different turbulence models // Zanco Journal of Pure and Applied Sciences. 2018. Vol. 30. Issue 5. doi: 10.21271/ZJPAS.30.5.11
  11. Majeed H.Q., Ghazal A.M. CFD simulation of velocity distribution in a river with a bend cross section and a cubic bed roughness shape // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 928. P. 022038. doi: 10.1088/1757-899X/928/2/022038
  12. Kadia S., Kumar B., Pummer E., Ruther N., Ahmad Z. Experimental and CFD simulation studies on the flow approaching a type-a piano key weir // EGU General Assembly. 2021. doi: 10.5194/egusphere-egu21-10030
  13. Saleh S.M., Husain S.M. Numerical study to evaluate the performance of nonuniform stepped spillway using ANSYS-CFX // Polytechnic Journal. 2020. Vol. 10. Issue 2. Pp. 1–9. doi: 10.25156/ptj.v10n2y2020.pp1-9
  14. Власов В.А., Клопотов А.А., Пляскин А.С., Буньков В.Е., Устинов А.М. Оценка напряженно-деформированного состояния вертикального резервуара, усиленного углекомпозитным бандажом, на основе численных исследований в ПК ANSYS // Современные строительные материалы и технологии : сб. науч. ст. III Междунар. конф. 2020. С. 111–120. EDN FQWIJC.
  15. Фабричная К.А., Фаррахова Ч.Ф. Исследование напряженно-деформированного состояния узла сталежелезобетонного каркаса здания в ПК ANSYS // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2019. № 4 (11). С. 25–35. EDN MMZSRF.
  16. Фабричная К.А., Саубанова А.М. Исследование напряженно-деформированного состояния элементов опорного узла консоли в ПК ANSYS // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2019. № 3 (10). С. 24–33. EDN MCSCSA.
  17. Трастьян Н.А., Линьков Н.В. Разработка рамных узлов стальных конструкций с учетом пластических деформаций // Инженерный вестник Дона. 2019. № 1.
  18. Галиева А.Б., Галиев Г.Н. Моделирование конструкций многоярусной однопролетной рамы в ПК ANSYS с учетом регулирования усилий в узлах сопряжения ригелей с колоннами // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2015. № 2. С. 90–92. EDN UCTJTZ.
  19. Грибанов Я.И., Калугин А.В., Балакирев А.А. Расчетный комплекс для прочностного анализа несущих конструкций покрытия спортивного сооружения // Вестник МГСУ. 2012. № 8. С. 85–90.
  20. Голоднов А.И., Иванов А.П., Псюк В.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния стальных конструкций по результатам выполненного обследования // Металлические конструкции. 2011. Т. 17. № 3. С. 167–175. EDN OBVAOT.
  21. Кравченко Г.М., Костенко Д.С. Моделирование узлового соединения элементов облегченных стальных конструкций // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2019. № 4 (204). С. 51–56. doi: 10.17213/0321-2653-2019-4-51-56. EDN WYAHRR.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».