基于流固耦合的貫流式水輪機內部流動及動力學分析.pdf

1、燈泡貫流式機組廣泛應用于低水頭大流量的水電站，其流道平直、過流量大、水力損失小、土建投資少。燈泡貫流式機組自身特殊的結構對機組穩(wěn)定性存在一些影響，這使得振動對燈泡貫流式機組比其它形式的機組運行質量的影響更為嚴重。受燈泡比的限制貫流式機組轉動慣量較小，因而水輪機水力振動對機組穩(wěn)定性影響較大。燈泡貫流式水輪機運行的范圍較寬，不同流量工況下水輪機內部流動及轉輪結構動力特性是不同的，因此研究其在偏工況下的水輪機內部流動及轉輪結構動力特性具有指導

2、意義。本文應用商用ANSYS軟件對某電站貫流式水輪機的十種不同流量工況進行數(shù)值模擬。旨在揭示流量對轉輪內部流動特性的影響，以及基于單向流固耦合計算方法流量對轉輪動力特性的影響。本文主要研究內容分為以下幾個方面：
　　首先，對各流量工況單周期進行定常數(shù)值模擬，對轉輪內部流態(tài)以及轉輪壓力進行了研究。研究結果表明：由于該貫流式水輪機運行范圍較寬除小流量工況情況下水流對葉片頭部撞擊出現(xiàn)繞流外，轉輪整體流場分布均較為均勻。受頭部繞流的影響，

3、小流量工況葉片輪緣靠近進口位置壓力較大，葉片吸面壓力較小區(qū)域也位于此。最優(yōu)工況和大流量工況，葉片壓力面中部靠近輪緣位置壓力較高，葉片吸力面在葉片中部靠近輪緣輪轂壓力較低。
　　其次，對各流量工況進行非定常數(shù)值模擬，研究隨流量變化轉輪葉片壓力脈動特性。研究結果表明：小流量工況葉片表面各監(jiān)測點壓力脈動相對幅值較小且差別不大；對于最優(yōu)工況和大流量工況，葉片進口處各監(jiān)測點的壓力脈動相對幅值較大。各壓力脈動幅值均在相應水頭的2％以內，轉輪的

4、穩(wěn)定性較好。同時流量對壓力頻譜的主頻有一定的影響。
　　然后，對轉輪葉片空氣和水中的模態(tài)進行了計算，并將水中模態(tài)與水輪機各種水力激振源的頻率進行對比分析。結果表明，考慮水體后轉輪葉片各階固有頻率值都有不同程度的下降，振型基本一致；同時得出對葉片振動起主要作用的葉片的旋轉頻率遠小于轉輪葉片在水中的一階固有頻率，即結構對流場的主要影響為結構變形的位移。
　　最后，基于單向流固耦合計算方法求解轉輪結構的響應。結果表明，平均最大等效