基于流固耦合的贯流式水轮机内部流动及动力学分析

作     者：王少婷 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑小波

授予年度：2017年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：灯泡贯流式水轮机 流动特性 压力脉动 等效应力 变形位移 

摘      要：灯泡贯流式机组广泛应用于低水头大流量的水电站,其流道平直、过流量大、水力损失小、土建投资少。灯泡贯流式机组自身特殊的结构对机组稳定性存在一些影响,这使得振动对灯泡贯流式机组比其它形式的机组运行质量的影响更为严重。受灯泡比的限制贯流式机组转动惯量较小,因而水轮机水力振动对机组稳定性影响较大。灯泡贯流式水轮机运行的范围较宽,不同流量工况下水轮机内部流动及转轮结构动力特性是不同的,因此研究其在偏工况下的水轮机内部流动及转轮结构动力特性具有指导意义。本文应用商用ANSYS软件对某电站贯流式水轮机的十种不同流量工况进行数值模拟。旨在揭示流量对转轮内部流动特性的影响,以及基于单向流固耦合计算方法流量对转轮动力特性的影响。本文主要研究内容分为以下几个方面:首先,对各流量工况单周期进行定常数值模拟,对转轮内部流态以及转轮压力进行了研究。研究结果表明:由于该贯流式水轮机运行范围较宽除小流量工况情况下水流对叶片头部撞击出现绕流外,转轮整体流场分布均较为均匀。受头部绕流的影响,小流量工况叶片轮缘靠近进口位置压力较大,叶片吸面压力较小区域也位于此。最优工况和大流量工况,叶片压力面中部靠近轮缘位置压力较高,叶片吸力面在叶片中部靠近轮缘轮毂压力较低。其次,对各流量工况进行非定常数值模拟,研究随流量变化转轮叶片压力脉动特性。研究结果表明:小流量工况叶片表面各监测点压力脉动相对幅值较小且差别不大;对于最优工况和大流量工况,叶片进口处各监测点的压力脉动相对幅值较大。各压力脉动幅值均在相应水头的2%以内,转轮的稳定性较好。同时流量对压力频谱的主频有一定的影响。然后,对转轮叶片空气和水中的模态进行了计算,并将水中模态与水轮机各种水力激振源的频率进行对比分析。结果表明,考虑水体后转轮叶片各阶固有频率值都有不同程度的下降,振型基本一致;同时得出对叶片振动起主要作用的叶片的旋转频率远小于转轮叶片在水中的一阶固有频率,即结构对流场的主要影响为结构变形的位移。1最后,基于单向流固耦合计算方法求解转轮结构的响应。结果表明,平均最大等效应力和平均最大变形位移除在最小流量工况的叶片平均最大变形位移高于其他小流量工况外,其他工况均随流量的增大而增大。转轮叶片与枢轴法兰连接处是转轮叶片应力集中位置,叶片靠近轮缘处变形位移最大,但不同流量工况位置略有差异。