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基于流固耦合的水轮机振动的数值研究

刘德民  
【摘要】: 近年来,国内外一些大型混流式水轮机机组频频出现强烈的振动现象,尤其是中高比转速水轮机叶片的裂纹现象,在世界各地普遍存在,严重危及到机组的安全运行。目前,对此问题还没有找到有效的解决方法。因此水轮机的稳定性问题的研究意义非常重大,水轮机的核心部件是转轮,所以关键研究转轮的稳定性。 混流式水轮机转轮叶片与粘性流场的相互作用不仅会激发叶片的强烈振动,严重时还会导致叶片产生疲劳断裂、动力失稳等影响机组安全运行的事件。因此,研究转轮运行时叶片的振动特性对深入了解叶片的振动机理、避免水力共振、确保机组安全稳定运行具有重要意义。 本文主要基于流固耦合的方法,开展了水轮机振动的数值研究,并取得了以下成果: (1)借助CAD软件UG对某一混流式水轮机过流部件建模,采用流体计算软件Fluent对水轮机的内部流动进行了数值分析,得出大流量、设计流量和小流量下的流场分布状况,将转轮叶片上的压力输出为ANSYS识别的数据格式。将UG建好的模型导入ANSYS,采用自由网格划分技术建立了转轮及单个叶片的有限元分析模型,为水轮机转轮振动问题的研究奠定了基础。 (2)应用ANSYS软件采用顺序耦合分别对空气和水中的转轮及单个叶片进行了静态分析和模态分析,得到了转轮及单个叶片在空气中和静水中的动力特性,分析了该转轮在运行状态下发生共振的可能性,并对计算结果进行了详细的对比分析。结果表明:转轮在水中的固有频率较空气中有不同程度的降低,其降低程度随转轮结构及振动形式的不同而不同;单个叶片的低阶和高阶固有频率降低得要小一些,中间阶次降低的要大些。而转轮的固有频率降低程度是低阶和中间阶次的频率降低较小,高阶频率降低较大。流体与叶片结构间的相互作用不仅会降低结构的固有频率,同时还会明显的改变叶片在相同频率下的振型。总之,在对水轮机进行结构分析时,必须考虑流体与过流部件的交互作用影响。 (3)应用ANSYS软件计算了离心力和流量对转轮动力特性的影响。结果表明:离心力的影响使得转轮叶片各阶频率有不同程度的变化,并且变化比较大,振型也有一定的差异。随着离心力的升高,转轮和单叶片的频率增加。流量的变化使转轮及单叶片的各阶频率有不同程度的变化,小流量时变化最为明显,说明小流量时机组的运行很不稳定,这一点从流场计算的结果也得到了证明。 (4)利用Adina软件可以实现直接耦合的特点,采用可以很好的跟踪流体和固体的运动边界ALE算法,求解了一转轮在水压力和结构变形相互作用下的结构变形,频率和模态变化。与前人的计算结果比较,证实了其算法的可靠性。 (5)对诱发水轮机振动的几种激振力进行了初步探讨,蜗壳中的小漩涡、导叶后的不均匀流场、导叶的脱流漩涡、尾水管涡带这些都是诱发机组振动的因素,因此在设计新电站以及对老电站改造时这些因素都必须认真考虑。


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