Drastische trillingsreductie roterende onderdelen door nieuw materiaal

Aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) is een concept ontwikkeld om flow-induced vibration (trillingen veroorzaakt door stroming) van roterende objecten—zoals turbinebladen, propellers of hydraulische pompen—sterk terug te dringen. De sleutel: een geometrische toevoeging op de trailing edge (de achterrand) van een roterend blad, in de vorm van een gyroid-structuur.

Wanneer vloeistof (zoals lucht of water) langs een object stroomt, kunnen zich achter dat object afwisselende wervelingen vormen. Deze Kármánvortexen (ook wel: de wervelstraat van Kármán)veroorzaken wisselende druk op het oppervlak van het object, wat trillingen geeft. In turbines, scheepspropellers, brugconstructies, et cetera, kan dit leiden tot vermoeidheid, materiaalverslechtering, geluidsoverlast en prestatieverlies.

De EPFL-oplossing bestaat uit een triply periodic minimal surface (TPMS) gyroid-structuur, additief vervaardigd en aangebracht aan de trailing edge. Kenmerken:

• Continu gebogen oppervlak: geen scherpe randen → voorkomt coherente vortexvorming.
• Periodieke porositeit: laat gecontroleerde lekkage en energie-dissipatie toe.
• Mechanische stijfheid / laag gewicht: gunstig voor rotordynamica.

CFD-simulaties en windtunneltesten tonen aan dat de gyroid-structuur de coherentie van de afwisselende vortexstraat doorbreekt. In plaats van een stabiele shedding met één dominante frequentie, ontstaat een breedbandig en laag-energetisch wervelpatroon. Daardoor daalt de amplitude van de opgewekte liftkracht aanzienlijk.

Dit onderzoek opent perspectieven voor toepassingen waar trillingen door stroming een beperkende factor zijn:

• Turbines: hydropower, windturbines, etc.; minder trillingen betekent minder slijtage, langere levensduur, lagere onderhoudskosten.
• Scheepsbouw / propellers: geluid, efficiëntie en structurele integriteit kunnen verbeteren.
• Pomp- en compressortechnologie: bij hoge flows of drukverschillen kan vermindering van trilling ook leiden tot betere betrouwbaarheid.

Ook relevant is dat het device relatief eenvoudig te produceren is (3D-print), waardoor retrofit-mogelijkheden denkbaar zijn—bestaande bladen kunnen mogelijk worden aangepast zonder volledige herontwerpen. EPFL heeft het concept inmiddels gepatenteerd.

Technische uitdagingen voor opschaling

Hoewel het eerste resultaat veelbelovend is, zijn er nog punten die nader onderzocht moeten worden:

• Reynolds-schaalbaarheid: testen moeten uitwijzen of effect behouden blijft bij hogere Reynoldsgetallen (Re=ρUDμRe = \frac{\rho U D}{\mu}Re=μρUD​).
• Materiaalkeuze: huidige prototypes 3D-geprint uit kunststof; voor toepassing in turbinebladen zijn metalen of composieten nodig.
• Structurele integratie: inpassing in bestaande ontwerpen zonder verstoring van belastingslijnen.
• Duurzaamheid: slijtage door erosie, cavitatie en corrosie moet onderzocht worden.

⚠️ Geen vacatures gevonden.