基于流固耦合的水輪機(jī)振動的數(shù)值研究.pdf

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

2、葉片的振動特性對深入了解葉片的振動機(jī)理、避免水力共振、確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)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(jī)過流部件建模，采用流體計算軟件Fluent對水輪機(jī)的內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值分析，得出大流量、設(shè)計流量和小流量下的流場分布狀況，將轉(zhuǎn)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(dǎo)入.ANSYS，采用自由網(wǎng)

3、格劃分技術(shù)建立了轉(zhuǎn)輪及單個葉片的有限元分析模型，為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪振動問題的研究奠定了基礎(chǔ)。 (2)應(yīng)用ANSYS軟件采用順序耦合分別對空氣和水中的轉(zhuǎn)輪及單個葉片進(jìn)行了靜態(tài)分析和模態(tài)分析，得到了轉(zhuǎn)輪及單個葉片在空氣中和靜水中的動力特性，分析了該轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生共振的可能性，并對計算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)之間的相互作用不僅會降低結(jié)構(gòu)的固有頻率，同時還會明顯的改變?nèi)~片在相同頻率下的振型?？傊?，在對水輪機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時，必須考慮流體與過流部件的交互作用影響。 (3)應(yīng)用ANSYS軟件計算了離心力和流量對轉(zhuǎn)輪動力特性的影響。結(jié)果表明：離心力的影響使得轉(zhuǎn)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(zhuǎn)輪和單葉片的頻率增加。流量的變化使轉(zhuǎn)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(jī)組的運(yùn)行很不穩(wěn)定，這一點從流場計算的結(jié)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(yùn)動邊界ALE算法，求解了一轉(zhuǎn)輪在水壓力和結(jié)構(gòu)變形相互作用下的結(jié)構(gòu)變形，頻率和模態(tài)變化。與前人的計算結(jié)果比較，證實了其算法的可靠性。 (5)對誘發(fā)水