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混流式水轮机转轮动力特性分析及综合优化设计

王少波  
【摘要】: 水轮机组的稳定与效率、气蚀一起成为机组的三大主要考核指标。随着水轮机组朝着大尺寸、大容量的方向发展,其自身的固有频率也随之降低,与干扰激振力的频率属于同一数量级,因此,水轮机组运行的稳定性就变成更为重要的问题。水轮机转轮设计的优劣直接影响或决定三大技术指标,而目前我国在水轮机转轮设计方面与国外先进水平仍存在一定差距。水轮机转轮动力特性分析和综合优化设计是水轮机设计中的一项十分有意义又有相当难度的研究课题。本文对此进行了有益的研究与探索,取得以下主要成果: 1)从水流和转轮的耦合作用出发,比较系统、全面分析了多种工况下转轮的动力特性,包括分别计算转轮及叶片在空气中和水中的固有频率和主振型,计算了转轮结构在运行状态下旋转离心力和流道水压力对转轮动力特性的影响,分析了转轮在运行工况下发生共振的可能性。通过计算结果与有关试验结果的比较和分析,为设计提供参考指导。 2)在计算流体动力学(CFD)的基础上,发展了一种流固耦合计算模式(FSI),流体为粘性介质,采用ALE格式处理流体和结构之间的移动界面,流体域和固体域分别独立计算,程序控制传递流体压力及固体位移和速度作为对方的边界条件,实现耦合计算。在ANSYS5.6的基础上,应用其参数化设计语言APDL编制程序,控制流体计算和结构计算,实现耦合系统的求解。通过3个算例证明了所提出的计算方法及程序的有效性,并对转轮在不同工况下动水压力产生的动应力进行了计算分析。 3)对某水轮机进行了现场测试和计算,综合研究分析,得到该水轮机的剧烈振动、噪音及叶片开裂的原因,并提出解决问题的指导意见。 4)在转轮结构动力分析的基础上,结合转轮的水力设计,首次将遗传算法用于转轮的综合优化设计,研制了水轮机转轮的水效率和动 力特性综合优化设计软件。 以上研究构成了转轮动力特性分析的一套完整的程序和方法,同 时各部分又可独立运行,可分别进行转轮液固祸合振动、过渡过程动 态特性的计算以及转轮的综合优化设计。有关研究成果已在东方电机 股份有限公司得到应用,并得到好评。


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