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轴流转桨式水轮机叶片流固耦合动力特性分析

李晓波  
【摘要】: 随着轴流转桨式水轮机的尺寸越来越大,过流部件的应力大大提高,叶片裂纹问题明显增多,严重地威胁电站的安全运行,水轮机叶片裂纹问题及动应力特性日益受到广泛重视。因此,有必要对各过流部件在水轮机内部流场下的动应力特性进行分析,以提高机组的运行稳定性。 本文以某轴流式模型水轮机活动导叶和叶片为研究对象,通过三维非定常流场模拟和结构瞬态动力分析,采用双向顺序流固耦合计算方法,对其单周期流道进行不同协联工况下的数值计算,得到了耦合作用下的瞬态流场分布以及活动导叶与叶片的动应力和位移变形分布,并对导叶和叶片进行了耦合作用下的水中振动特性分析。 考虑流固耦合作用后活动导叶压力面和吸力面中间截面的压力比非耦合情况下的压力有所降低,不同工况的降低程度各不相同;叶片正背面压差较非耦合情况下有所减小,耦合作用使得叶片能量性能下降,且叶片上最低压力值降低,会对其空化性能产生不利影响;此外,对轴流式水轮机转轮叶片的间隙流动进行了模拟,比较分析了考虑耦合作用前后的流场变化情况。 结构瞬态动力分析表明:不同工况下,活动导叶最大等效应力发生在其上下端面与枢轴连接处靠吸力面或压力面一侧;其最大位移变形发生在导叶出水边中间处,且变形量很微小。叶片最大等效应力发生在叶片根部与法兰枢轴连接处靠出水边一侧;其最大位移变形发生在叶片出水边靠近外缘侧。各协联工况下,活动导叶和叶片最大应力点处的动应力变化情况存在较大差异,但在同一水头相同转速工况下,其最大动应力虽幅值不同但主频均一致,其主频值并不随导叶开度和桨叶转角改变而发生变化。 考虑流固耦合作用后活动导叶和叶片在水中的振型与在空气中的基本一致,但在水中的频率比在空气中的有所降低,降幅呈非线性变化。此外,叶片旋转速度的大小对叶片固有频率影响很小。在机组实际运行过程中,应考虑流固耦合作用的影响,尽量使过流部件的固有频率与各水力激振力频率相差较大,以避免发生共振。


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