軸流式水輪機轉輪改造中的關鍵問題研究.pdf

1、我國有相當一部分軸流式水力機組空蝕破壞嚴重、運行穩(wěn)定性差、綜合性能指標較低,亟待改造,開展軸流式水輪機轉輪改造中的關鍵問題研究對于改善機組的綜合性能、提高低水頭水能資源的利用效率以及提高水輪發(fā)電機組運行的可靠性具有非常重要的意義。本文結合CFD技術和流固耦合技術,開展了流動分析、動應力分析、流固耦合計算以及改型設計和性能預測等若干軸流式水輪機轉輪改造中關鍵問題的研究工作。本文以軸流式水輪機為研究對象,進行了水輪機全過流部件的三維數(shù)值模擬

2、,在此基礎上,開展了軸流式葉片的動應力問題研究,進行了軸流式葉片的流固耦合分析,最后對湖北陸水水電站的軸流式轉輪進行了改型設計和性能預測。(1)對軸流式水輪機的內部流動進行了全流道數(shù)值模擬,研究了運行工況對軸流式水輪機內部的流場分布的影響,分析了各過流部件表面的壓力脈動情況以及非定常流動特性。定常流動的研究結果表明：固定導葉出口水流角在周向上分布的不均勻程度隨水輪機流量的增大而增加；導葉區(qū)的流動要素沿周向分布的均勻性隨導葉開度的增大逐漸

3、減弱；大流量工況下,來流不均勻引起的各葉片表面壓力分布的差異在輪轂處附近表現(xiàn)得最為明顯,輪緣附近次之,各截面葉片間相差較大的地方均位于葉片前半部分。非定常流動的研究結果表明：不同工況下,相近時刻的導葉正背面壓力分布趨勢差異較大；導葉區(qū)壓力脈動的主頻含有與尾水管低頻壓力脈動相同的頻率成分,在底環(huán)和中間點的壓力脈動中還含有接近機組轉頻的頻率成分；尾水管進口壓力脈動的主頻成分主要為低頻成分,這種低頻壓力脈動是水輪機中壓力脈動的主要脈動源之一；

4、葉片表面的壓力脈動頻率除了低頻成分外,還有機組轉頻倍數(shù)的中頻成分,為機組的次要振動源。(2)對軸流式轉輪和葉片分別進行了強度計算,對單葉片進行了動應力分析,分析了不同工況下軸流式轉輪和葉片的應力分布特點及應力集中區(qū),揭示了軸流式葉片動應力與流道內水壓力脈動之間的關系。研究結果表明：在水壓力的作用下,葉片上出現(xiàn)了3個應力集中區(qū)；整體轉輪的最大應力值隨葉片轉角增大逐漸減??；隨著葉片轉角增大,葉片表面從輪轂至輪緣應力變化梯度逐漸增大,葉片表面

5、應力分布不均勻程度增大。葉片動應力分析結果表明,葉片上最大應力點隨工況和時間的不同在葉片壓力面與法蘭連接處靠近下游側和葉片吸力面與法蘭連接處靠近下游側之間變化；葉片與法蘭連接處存在高幅動應力明顯大于葉片靜應力的分析結果；葉片中部的應力波動比輪轂和輪緣嚴重,出水邊比進水邊明顯；葉片上各點的動應力頻率成分與流道內的水壓力脈動頻率基本一致,說明葉片上的高幅動應力主要由水壓力脈動引起。(3)對軸流式轉輪和葉片進行了振動特性分析,對葉片進行了流固

6、耦合分析,研究了流固耦合作用對葉片區(qū)流場以及葉片應力分布的影響。研究結果表明,軸流式葉片在水中的固有頻率有所降低,具有非線性的特點；考慮流固耦合作用后,葉片正背面壓差增大,在一定程度上惡化了葉片的空化性能；考慮流固耦合作用后,葉片上的應力分布和最大應力出現(xiàn)的位置均未發(fā)生明顯變化；與非定常流動計算結果相比,各時刻最大應力值和最大應變的變化情況各不相同；流固耦合作用不僅改變了葉片區(qū)的流場分布,對葉片的應力也有較大影響。(4)對湖北陸水水電站

7、的軸流式轉輪進行了改型設計與性能預測。通過對葉片翼型幾何形狀的優(yōu)化,改善了轉輪的水力性能；對改型后的轉輪進行了性能預測,詳細分析了改型后軸流式轉輪主要工況的水力性能,繪制了轉輪的定槳曲線、轉槳的模型綜合特性曲線以及最大水頭下的導葉水力矩曲線。電站的實際運行情況表明,改型后轉輪ZZX30的各項指標達到了改型目標提出的要求,效率高,出力穩(wěn)定,綜合性能有了較大提高,為電站創(chuàng)造了良好的經濟效益,也說明了本文采用的改型設計方法和性能預測方法是有效