基于流固耦合的貫流式水輪機(jī)內(nèi)部流動及動力學(xué)分析.pdf

1、燈泡貫流式機(jī)組廣泛應(yīng)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(jī)組自身特殊的結(jié)構(gòu)對機(jī)組穩(wěn)定性存在一些影響，這使得振動對燈泡貫流式機(jī)組比其它形式的機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量的影響更為嚴(yán)重。受燈泡比的限制貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量較小，因而水輪機(jī)水力振動對機(jī)組穩(wěn)定性影響較大。燈泡貫流式水輪機(jī)運(yùn)行的范圍較寬，不同流量工況下水輪機(jī)內(nèi)部流動及轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)動力特性是不同的，因此研究其在偏工況下的水輪機(jī)內(nèi)部流動及轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)動力特性具有指導(dǎo)

2、意義。本文應(yīng)用商用ANSYS軟件對某電站貫流式水輪機(jī)的十種不同流量工況進(jìn)行數(shù)值模擬。旨在揭示流量對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流動特性的影響，以及基于單向流固耦合計(jì)算方法流量對轉(zhuǎn)輪動力特性的影響。本文主要研究內(nèi)容分為以下幾個(gè)方面：
　　首先，對各流量工況單周期進(jìn)行定常數(shù)值模擬，對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)以及轉(zhuǎn)輪壓力進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：由于該貫流式水輪機(jī)運(yùn)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(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)行非定常數(shù)值模擬，研究隨流量變化轉(zhuǎn)輪葉片壓力脈動特性。研究結(jié)果表明：小流量工況葉片表面各監(jiān)測點(diǎn)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(jìn)口處各監(jiān)測點(diǎn)的壓力脈動相對幅值較大。各壓力脈動幅值均在相應(yīng)水頭的2％以內(nèi)，轉(zhuǎn)輪的

4、穩(wěn)定性較好。同時(shí)流量對壓力頻譜的主頻有一定的影響。
　　然后，對轉(zhuǎn)輪葉片空氣和水中的模態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，并將水中模態(tài)與水輪機(jī)各種水力激振源的頻率進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，考慮水體后轉(zhuǎn)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(shí)得出對葉片振動起主要作用的葉片的旋轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)輪葉片在水中的一階固有頻率，即結(jié)構(gòu)對流場的主要影響為結(jié)構(gòu)變形的位移。
　　最后，基于單向流固耦合計(jì)算方法求解轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。結(jié)果表明，平均最大等效