混流式水輪機(jī)葉片流固耦合動(dòng)力特性研究.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(dòng)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。 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(huì)激發(fā)葉片的強(qiáng)力振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致葉片產(chǎn)生疲勞斷裂、動(dòng)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(shí)葉片的振動(dòng)特性對深入了解葉片的流激振動(dòng)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。

2、 本文在綜述了國內(nèi)外混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)力特性的研究現(xiàn)狀后，主要作了以下工作： 1.借助大型通用有限元分析軟件ANSYS，針對混流式水輪機(jī)葉片幾何造型及與葉片相關(guān)的工程計(jì)算(如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部三維粘性湍流場和葉片強(qiáng)度及葉片振動(dòng)等問題的有限元計(jì)算)中亟待解決的葉片木模圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，采用有限元自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法，成功地實(shí)現(xiàn)了把葉片木模圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合于實(shí)際工程中需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述方式，用雙三次B樣條曲面法，對給定型值點(diǎn)的水輪

3、機(jī)葉片進(jìn)行曲面擬合，再現(xiàn)了水輪機(jī)葉片的幾何外形，并給出了對水輪機(jī)葉片進(jìn)行曲面擬合的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，建立了混流式水輪機(jī)整體轉(zhuǎn)輪葉片和單個(gè)葉片三維有限元分析模型，為水輪機(jī)葉片振動(dòng)問題的研究奠定基礎(chǔ)。 2.對由不可壓縮理想流體和轉(zhuǎn)輪葉片組成的耦合系統(tǒng)，從理論研究出發(fā)，采用有限元法的位移－速度勢格式，使用加權(quán)余量法中的Galerkin法，對耦合系統(tǒng)進(jìn)行有限元離散，從而導(dǎo)出了系統(tǒng)在流動(dòng)流體中的流固耦合有限元方程，根據(jù)方程中各項(xiàng)的物理

4、意義，詳細(xì)討論了流速場對葉片振動(dòng)特性的影響，并分析了附加質(zhì)量的計(jì)算方法及附加質(zhì)量的影響因素。 3.根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行時(shí)的受力特點(diǎn)及其所要考慮的影響因素，對可壓縮理想流體與轉(zhuǎn)輪葉片組成的線性流固耦合系統(tǒng)，采用有限元方法中的位移－壓力格式，應(yīng)用Galerkin法對流體和固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，建立了系統(tǒng)流固耦合有限元方程。并借助于有限元軟件ANSYS中的流固耦合功能分別對兩種不同介質(zhì)下的整體轉(zhuǎn)輪葉片及單個(gè)葉片進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了轉(zhuǎn)輪葉片

5、及單個(gè)葉片在空氣中和靜止流體中的白振特性，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析，發(fā)現(xiàn)了一些有價(jià)值的振動(dòng)規(guī)律，同時(shí)，針對計(jì)算結(jié)果，分析了該水輪機(jī)葉片在運(yùn)行工況下發(fā)生共振的可能性。此外，還詳細(xì)討論了離心力和靜水壓力及流體密度對水輪機(jī)葉片動(dòng)力特性的影響，結(jié)果表明，對于大型水輪機(jī)葉片而言，可以不考慮離心力和靜水壓力對其動(dòng)力特性的影響，但發(fā)現(xiàn)葉片的動(dòng)力特性對流體密度的變化以及動(dòng)水壓力比較敏感。 4.根據(jù)廣義變分原理，應(yīng)用Lagrangian乘