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轴流式水轮机内的湍流数值模拟和叶片的强度与振动特性分析

商威  
【摘要】: 开展水轮机内的湍流数值模拟和过流部件的强度分析与振动特性问题研究,对于进一步了解水力机组振动的内在机理,提高水轮发电机组的运行稳定性,改善水轮机的综合水力性能具有重要的意义。本文对轴流式水轮机全流道内部的三维湍流流场进行了数值模拟,对活动导叶和轴流式叶片进行了强度分析和振动特性的研究。主要包括以下几个方面的工作: (1)采用雷诺平均N-S方程和κ-ε湍流双方程模型对轴流式水轮机内部的湍流流动进行了数值研究。分别进行了四个运行工况的流动分析,获得了各工况下水轮机内部的流动参数分布特征。 对定常湍流流动数值模拟的计算结果表明,各工况下蜗壳内蜗形部分压力分布比较均匀,且具有良好的对称性;在固定导叶的作用下,水流的出口角趋于均匀。随着流量的增加,导叶区流动要素沿周向分布的均匀性减弱;由于来流的不均匀性,作用在转轮各叶片上的水压力有明显差异,这种差异随着流量的增大而更加明显。对非定常湍流流动数值模拟的计算结果表明,导叶开度较小时,蜗壳内和活动导叶区速度和压力分布的趋势随时间变化不大;转轮下方0.3D1处的压力变化较为明显;过流通道内各处水压力脉动的主频成分约为机组转频的1/6-1/3;尾水管中的低频压力脉动是水轮机中压力脉动的主要脉动源之一。 (2)以定常湍流流动的数值模拟结果为基础,将水压力加载至有限元模型上,对活动导叶和轴流式叶片进行了强度分析,并对叶片变形后的流场进行了分析。 导叶强度分析结果表明:各工况下的导叶上最大应力出现在导叶上轴颈和中轴颈相接处;变工况条件下,过渡面的存在对于活动导叶的最大应力有一定的影响。 对轴流式叶片的强度分析得到了与现场检测相一致的结果:各工况相比,随着叶片向开启的方向转动,叶片最大应力逐渐减小;但在最优工况下,叶片最大应力仍然较大。各个工况下叶片的最大应力出现在叶片根部和法兰相接处靠近出水边侧,最大位移出现在叶片外缘靠近出水边侧。对叶片变形后的流场数值模拟结果表明:转轮叶片的变形增大了叶片压力面发生空化的可能性,对尾水管内的水流运动影响较大。 (3)对活动导叶和轴流式叶片进行了振动特性研究。 对导叶振动特性的分析结果表明:当采用简化模型,即不考虑止推装置作用、不考虑过渡面、或者不考虑法兰等情况时,导叶的振动特性发生了明显变化。对轴流式叶片振动特性的分析结果表明:不同工况点在水压力的作用下,叶片各阶频率发生了明显的变化;各阶振动最大变形值多出现在叶片的出水边中部及叶片出水边与叶片根部、叶片外缘相交处。


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