混流式水輪機葉片流固耦合動力特性研究.pdf

1、近年來，國內(nèi)外一些大型混流式水輪機機組頻頻出現(xiàn)強烈的振動現(xiàn)象，尤其是中高比轉(zhuǎn)速水輪機葉片的裂紋現(xiàn)象，在世界各地普遍存在，嚴重危及到機組的安全運行。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)葉片的強力振動，嚴重時還會導(dǎo)致葉片產(chǎn)生疲勞斷裂、動力失穩(wěn)等影響機組安全運行的事件。因此，研究轉(zhuǎn)輪運行時葉片的振動特性對深入了解葉片的流激振動機理、避免水力共振、確保機組安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

2、 本文在綜述了國內(nèi)外混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片動力特性的研究現(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，針對混流式水輪機葉片幾何造型及與葉片相關(guān)的工程計算(如水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)部三維粘性湍流場和葉片強度及葉片振動等問題的有限元計算)中亟待解決的葉片木模圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題，采用有限元自動網(wǎng)格劃分方法，成功地實現(xiàn)了把葉片木模圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合于實際工程中需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述方式，用雙三次B樣條曲面法，對給定型值點的水輪

3、機葉片進行曲面擬合，再現(xiàn)了水輪機葉片的幾何外形，并給出了對水輪機葉片進行曲面擬合的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，建立了混流式水輪機整體轉(zhuǎn)輪葉片和單個葉片三維有限元分析模型，為水輪機葉片振動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)進行有限元離散，從而導(dǎo)出了系統(tǒng)在流動流體中的流固耦合有限元方程，根據(jù)方程中各項的物理

4、意義，詳細討論了流速場對葉片振動特性的影響，并分析了附加質(zhì)量的計算方法及附加質(zhì)量的影響因素。 3.根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片在運行時的受力特點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)輪葉片及單個葉片進行了模態(tài)分析，得到了轉(zhuǎn)輪葉片

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