基于流固耦合的水輪機振動的數(shù)值研究.pdf

1、近年來，國內外一些大型混流式水輪機機組頻頻出現(xiàn)強烈的振動現(xiàn)象，尤其是中高比轉速水輪機葉片的裂紋現(xiàn)象，在世界各地普遍存在，嚴重危及到機組的安全運行。目前，對此問題還沒有找到有效的解決方法。因此水輪機的穩(wěn)定性問題的研究意義非常重大，水輪機的核心部件是轉輪，所以關鍵研究轉輪的穩(wěn)定性。 混流式水輪機轉輪葉片與粘性流場的相互作用不僅會激發(fā)葉片的強烈振動，嚴重時還會導致葉片產生疲勞斷裂、動力失穩(wěn)等影響機組安全運行的事件。因此，研究轉輪運行時

2、葉片的振動特性對深入了解葉片的振動機理、避免水力共振、確保機組安全穩(wěn)定運行具有重要意義。 本文主要基于流固耦合的方法，開展了水輪機振動的數(shù)值研究，并取得了以下成果： (1)借助CAD軟件UG對某一混流式水輪機過流部件建模，采用流體計算軟件Fluent對水輪機的內部流動進行了數(shù)值分析，得出大流量、設計流量和小流量下的流場分布狀況，將轉輪葉片上的壓力輸出為ANSYS識別的數(shù)據(jù)格式。將UG建好的模型導入.ANSYS，采用自由網(wǎng)

3、格劃分技術建立了轉輪及單個葉片的有限元分析模型，為水輪機轉輪振動問題的研究奠定了基礎。 (2)應用ANSYS軟件采用順序耦合分別對空氣和水中的轉輪及單個葉片進行了靜態(tài)分析和模態(tài)分析，得到了轉輪及單個葉片在空氣中和靜水中的動力特性，分析了該轉輪在運行狀態(tài)下發(fā)生共振的可能性，并對計算結果進行了詳細的對比分析。結果表明：轉輪在水中的固有頻率較空氣中有不同程度的降低，其降低程度隨轉輪結構及振動形式的不同而不同；單個葉片的低階和高階固有頻

4、率降低得要小一些，中間階次降低的要大些。而轉輪的固有頻率降低程度是低階和中間階次的頻率降低較小，高階頻率降低較大。流體與葉片結構之間的相互作用不僅會降低結構的固有頻率，同時還會明顯的改變葉片在相同頻率下的振型?？傊趯λ啓C進行結構分析時，必須考慮流體與過流部件的交互作用影響。 (3)應用ANSYS軟件計算了離心力和流量對轉輪動力特性的影響。結果表明：離心力的影響使得轉輪葉片各階頻率有不同程度的變化，并且變化比較大，振型也有一

5、定的差異。隨著離心力的升高，轉輪和單葉片的頻率增加。流量的變化使轉輪及單葉片的各階頻率有不同程度的變化，小流量時變化最為明顯，說明小流量時機組的運行很不穩(wěn)定，這一點從流場計算的結果也得到了證明。 (4)利用Adina軟件可以實現(xiàn)直接耦合的特點，采用可以很好的跟蹤流體和固體的運動邊界ALE算法，求解了一轉輪在水壓力和結構變形相互作用下的結構變形，頻率和模態(tài)變化。與前人的計算結果比較，證實了其算法的可靠性。 (5)對誘發(fā)水