基于双向流固耦合水轮机转轮应力特性分析

为了开展基于双向流固耦合的水轮机转轮叶片应力特性分析,通过坐标变换将直角坐标系下的连续方程和动量方程变换到任意拉格朗日坐标系下,建立流场控制方程,采用FCBI-C方法得到离散方程.在旋转坐标系下建立结构静力学方程,采用有限元法进行离散,得到转轮的有限元方程.使用迭代法双向流固耦合,对流体方程和结构方程进行迭代,直到流固耦合系统收敛.通过基于双向流固耦合的混流式水轮转轮应力场计算可得:单、双向耦合条件下转轮应力和位移分布趋势基本一致,最大点位置相同;转轮的有效应力相对差值随着变形的增大而增大,均在位移变形值最大点最大;变形量大小是单、双向耦合计算结果差别的重要因素,在小变形情况下,精度要求不高时可用单向耦合代替双向耦合进行计算.     

导叶开度对混流式水轮机转轮应力应变的影响

为了研究混流式水轮机转轮应力及变形情况,基于单向流固耦合理论,利用Workbench平台对其进行数值模拟.在模拟过程中首先利用ANSYS CFX软件,采用标准k-ε湍流模型对水轮机三维流态进行计算,其次通过Static Structural将流场水压力传递到转轮表面,进而进行耦合计算并得到了转轮应力和变形分布规律,最后通过试验结果对数值计算结果进行验证.研究表明:在100%开度下,从最低水头到额定水头、从额定水头到最高水头,转轮最大主应力与等效应力分别增大了9.8%,15.9%.另外在不同导叶开度下,水轮机转轮叶片瞬态较大变形、最大主应力以及最大等效应力均主要集中在叶片出水边与泄水锥交界处和叶片出水边靠近下环处,且随着导叶开度增大这些值均逐渐增大,特别在叶片出水边靠近下环处,由于该位置较薄,且在交变应力的反复作用下,该位置易发生疲劳破坏,因此更易出现裂纹和断裂.     

水泵水轮机导水机构与转轮动应力特性分析

为探究水泵水轮机转轮和导水机构的动应力特性,通过建立水泵水轮机导水机构（固定导叶与活动导叶）及转轮的固体域模型,并基于流固耦合的方法对转轮、导水机构在水泵水轮机发电、抽水等多工况展开计算分析,以获得转轮及导水机构的应力特性。计算结果表明：转轮叶片与上冠“T”型连接处的应力集中与转轮进口处旋涡发展状态有关;转轮与活动导叶间的动静干涉是无叶区压力脉动的主要来源,且主频为叶片通过频率;较小开度或低水头工况下机组运行靠近不稳定区,活动导叶与转轮的动应力均较大,但活动导叶对水流的约束引导作用使其动应力值相比于转轮更高,且流量的增大有利于降低转轮所受动应力。因此可考虑通过改变导叶尾端与转轮进口间距,调整无叶区宽度或调整机组运行区域,避免长时间运行在低负荷、小开度工况下可进一步改善转轮所受动应力情况。     

基于双向流固耦合的混流泵叶轮力学特性研究

基于双向同步求解方法对混流泵内流场和叶轮结构响应进行联合求解,研究流固耦合作用下混流泵叶轮转子的力学特性。流场计算采用雷诺时均方法和标准k-ε湍流模型,结构响应采用弹性体结构动力学方程。通过对比分析流固耦合前后流道内不同位置压力监测点的压力脉动、外特性变化,研究流固耦合作用对混流泵流场的影响,并基于双向流固耦合分析了叶轮叶片的变形与动应力分布。研究结果表明,流固耦合作用对导叶出口处压力脉动幅值影响较大,耦合后扬程和功率波动幅值有所增加,而效率有所下降。考虑流固耦合作用,叶片最大变形发生在叶片出口边背面靠近轮缘处,最大变形量约为0.062 7 mm;最大等效应力发生在叶片背面靠近轮毂出口边附近,最大等效应力约19.85 MPa;采样点耦合动应力呈现周期性变化,轮缘与轮毂上动应力幅值相差3个数量级,轮毂处相比其他位置更易发生疲劳破坏。研究结果为混流泵叶片的结构设计和可靠性分析提供了参考依据。     

大型轴流泵反向发电压力脉动及流固耦合

为研究南水北调东线某泵站机组反向发电的稳定性,对流道进行了全数值模拟,以研究反向发电工况的压力脉动及应力分布规律.在导叶进口、转轮进口和出口3个截面设置监测点.计算结果表明,轴流泵在反向发电工况下,转轮进口及出口处监测点的压力脉动时域图呈现周期性变化规律.压力脉动频率受转轮转频影响,集中在低频.转轮进口处中部及边缘处水流压力脉动明显,最大压力脉动发生在转轮出口处的中部水流,压力脉动幅值是转轮出口边缘处的近3倍,是转轮进口处中间及边缘的近2倍.叶轮出口处,压力脉动从轮毂到轮缘逐渐增大.研究结果表明,叶片总形变主要分布在叶片进水侧,其形变沿轮毂到轮缘方向逐渐增大;应力主要集中在叶片压力面与吸力面的根部,最大等效应力出现在叶片吸力面的叶轮根处.最大等效应力值在叶片材料安全范围内,对转轮运转机组寿命及破坏不构成影响.     

水泵水轮机启动过程转轮动应力分析

启动过程中转轮的动应力特性是评价水泵水轮机组稳定性的一个重要指标。为分析某原型混流式水泵水轮机组在水轮机模式启动过程中转轮的振动响应,重点分析水力激励力的瞬变特性对动应力的影响,首先针对水轮机启动过程选取不同转速工况点分别进行了稳态和局部瞬态动应力计算,然后结合转轮固有模态和动静干涉理论分析了异常振动产生的原因。其中,水力激励力通过计算流体动力学分析得到,动应力的求解采用基于声固耦合构建的单向流固耦合方法。对比稳态和瞬态计算的结果可知,在共振工况附近,激励力的瞬变特性对转轮的振动有显著影响。一方面使得启动过程中的高水平振动滞后于理论共振工况,另外动应力幅值远低于稳态分析的结果。然而在非共振区域,稳态和瞬态计算得到的动应力水平相近。     

水泵水轮机泵工况的压力脉动特性

为研究水泵水轮机在水泵工况时不同操作条件下的水力不稳定性,应用计算流体动力学软件Fluent分别对水泵水轮机三维全流道的设计工况、大流量工况和小流量工况进行非定常计算,同时监测了蜗壳进口、转轮与活动导叶之间、转轮与顶盖之间以及尾水管处的压力脉动.结果表明:水泵水轮机在水泵工况下压力脉动幅值最大的位置位于转轮与活动导叶之间的无叶区,转轮与顶盖之间的压力脉动次之,而蜗壳和尾水管处的压力脉动则比较小;在设计工况下压力脉动幅值最小,并且越偏离最优工况压力脉动的幅值越大;位置不同,影响水力稳定性的主频也不相同,转轮与活动导叶之间压力脉动的主频为叶片通过频率,转轮与顶盖之间的压力脉动的主频为转频的倍数,尾水管处压力脉动同时受叶片通过频率和低频的影响,而蜗壳进口处的压力脉动则主要受低频影响.     

水泵水轮机流场脉动与熵产率的关系

为了研究水泵水轮机不同工况下的运行稳定性,采用FLUENT软件对模型水泵水轮机转轮和无叶区的流态、熵产率分布、压力脉动进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比.结果表明：数值计算的压力脉动数据与试验值吻合较好,旋涡引起的速度梯度和压力梯度剧烈变化是水泵水轮机内部高能量损失的根本原因.相较于设计工况,小流量工况时转轮叶片吸力面水流的流动分离和旋转失速会导致此处熵产率较高,叶片吸力面压力脉动主频和第2主频幅值最大;大流量工况时动静干涉作用占主导,无叶区的熵产率最大,相应的无叶区压力脉动主频幅值也最大.由此可见,各工况下主流区熵产率和压力脉动具有强相关性,熵产率大的区域,压力脉动也较大.     

混流式水轮机低负荷运行非定常特性研究

水轮机长期运行在低负荷区域,会导致水电机组出现振动大,水流流态不良等情况,继而导致转轮叶片出现裂纹、机组发生汽蚀。为了探究机组内部不同部位的流动特性以及压力脉动特性,对某电站混流式水力发电机组进行三维建模,基于雷诺时均N-S方程,采用标准SST k-ω湍流模型,对额定工况以及低负荷工况（45%额定工况）进行定常和非定常求解计算。结果表明：低负荷工况下,导叶内流体的流动情况较差,主要是因为导叶开度的变化使水流不能够充分进入到转轮中,转轮上冠附近压力变化较乱,没有按规律减小,能量转换情况差,从而导致效率降低。由压力脉动结果可知：活动导叶处的最大振幅为固定导叶处最大振幅的3倍以上,说明越靠近转轮处,动静干涉的作用越明显;转轮内的最大振幅为导叶处最大振幅的数倍;低负荷工况下的压力脉动振幅大多时候比额定工况下的最大振幅高很多,说明低负荷工况下的稳定性较差。本文的结果为混流式水轮机组低负荷安全运行范围设定提供一定的理论基础。     

基于workbench的混流泵反向发电疲劳寿命分析

部分泵站可进行反向发电工况运行,可以为泵站创造一定的经济效益。此时水泵转轮处于非设计工况,运用双向流固耦合对此时转轮的应力及变形规律进行研究,得出转轮最大应力发生在叶片进水侧叶片与转轮连接处,约为5.8 MPa,并从轮毂向轮缘处逐渐递减;最大形变发生在转轮叶片的进水口边缘处,约为0.013 mm,从轮缘向轮毂中心递减。根据转轮的应力分布情况进行理论计算,最小安全系数为9.24。利用workbench平台中的专业疲劳分析模块,利用疲劳分析工具Fatigue tools估算转轮的疲劳寿命,得出转轮根部为疲劳安全系数最小的部位为9.088 2,与转轮最大应力分布位置相同。两者的安全系数值均在转轮的疲劳寿命在材料安全范围内,在反向发电运行时满足安全稳定的要求。     

水泵水轮机制动工况转轮受力分析

为了研究水泵水轮机制动工况下转轮及叶片受力状况,以某抽水蓄能电站混流式水泵水轮机模型机为研究对象,对其选定开度下制动工况进行了定常与非定常数值计算,并与试验数据进行了对比验证,探讨了制动工况下的内流机理,定量分析了该工况下叶片载荷及转轮所受径向力.结果表明:该工况叶片进口处正、背面压力差值较大,易造成该处流动紊乱;叶片进出口及背面中部表面压力梯度和涡量较大,产生的旋涡对叶道内流动及轴与机组稳定有一定影响;转轮旋转过程中受到大小呈周期性变化的非对称性径向力作用,其周期数与叶片数相同,值为86.90~133.18 N,相差46.28 N;转轮区域出现双失速团旋转失速现象,其对叶片正面有间断性冲击作用,产生额外交替应力.因此水泵水轮机在进行工况转换时应尽量避开运行在飞逸线附近正斜率的制动区域.     

轴伸贯流泵叶轮叶片应力改善有限元分析

为计算分析轴伸贯流泵叶轮叶片根部加厚后的应力分布情况,采用计算流体力学软件CFX,基于雷诺时均N-S方程和SST k-ω湍流模型对某轴深贯流泵装置全流道三维定常不可压湍流流场设计工况进行了数值模拟。借助ansys workbench平台,将稳态流场数值模拟所得叶片表面静压力作为叶片有限元计算的载荷边界条件,得到四种根部不同加厚厚度的叶片在设计工况下的等效应力与总变形分布。研究结果表明:通过出对叶片根部应力集中区域的加厚,可以缓解此处应力集中并减小最大等效应力,从而抑制和预防叶片根部裂纹的产生。而叶片根部的加厚对叶轮叶片总变形并无太大影响,同时提出了一种叶轮叶片根部连接叶片轴处的加厚方法。研究结果为同类型水泵叶轮结构设优化计和安全稳定性研究提供参考。     

水泵水轮机水轮机工况转轮流动特性分析

为了揭示某高水头水泵水轮机转轮区域流动特性,选取三个典型水轮机工况,基于N-S方程和SST湍流模型对模型水泵水轮机进行三维全流道非定常数值计算,研究不同水轮机工况下转轮区域的流动特性。结果表明:小流量工况下,转轮流态紊乱,有明显的旋涡,最优工况和大流量工况下,由于流量增大,转轮内流态明显改善,流线均匀顺畅;转轮流道内压力在圆周方向上对称分布,沿着流道方向压力逐渐减小,叶片出口附近存在不同范围的负压区域,由于小流量工况转轮内部水流紊乱使得负压区域较其余工况大;长短叶片靠近上冠处压力脉动呈周期性变化,受动静干涉效应影响,叶片进口处压力脉动剧烈,长短叶片在进出口处脉动变化规律一致,长短叶片进口处脉动频率皆以16倍转频为主,出口处皆以1倍转频为主。以上结论可为高水头水泵水轮机在水轮机工况下的高效运行提供一定的参考。     

双吸离心泵叶片区压力脉动特性分

采用大涡模拟方法(LES)和滑移网格技术,对双吸离心泵不同工况下的内部三维非定常湍流流场进行了数值模拟,研究了叶轮区域流场特性及叶片表面的压力脉动特性.结果表明,叶片区的压力脉动频率以叶轮转频为主,且压力脉动幅值随着偏离设计工况程度的增大而显著增加,尤其是在小流量工况Q/Qd=0.62下,压力脉动变化幅度最大,约为最优工况的3倍;设计工况下,叶片头部区域压力脉动幅值最大,约为静压均值的14％,分别比叶片正面中心处大86％,比叶片背面中心处大169％.     

卧轴双转轮混流式水轮机的优化设计

采用CFD计算分析了国外某电站的卧轴双转轮混流式水轮机组效率较低、空化性能较差的原因：主要是流道复杂,水流不畅,导致水力损失较大.由于不允许对流道进行调整,因而只能对转轮部分进行优化研究.转轮优化从3个方面进行：采用不同的叶片翼型、调整转轮上冠线的曲度和左右转轮叶片位置.基于N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,采用SIMPLIC算法,对优化后水轮机的全流道进行了三维定常湍流计算,获得了各过流部件的流动细节,预估了水轮机的性能.计算结果表明：采用Ⅲ型叶片转轮、B形上冠线,并且当左右2个转轮叶片位置不同这一方案时,水轮机过流量增大到28.55 m3/s,左转轮效率达92.24%,右转轮效率达91.78%.同时分析了计算转轮上的绝对压力值,得到了分别采用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型叶片转轮的空化情况,结果表明：Ⅲ型叶片转轮的空化性能最好.     

水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律.结果表明,尾水涡带形态和旋转方向对机组压力脉动的影响很大:在小流量工况下,尾水涡带为螺旋状,旋转方向与转轮转动方向相同,转轮出口产生强烈的低频压力脉动,转轮叶片上的压力脉动频率约为转轮转频的0.62倍,尾水管压力脉动主频约为转轮转频的0.36倍;在最优工况和大流量工况下,尾水涡带变为管状,转轮出口压力脉动幅值变小,在转轮叶片表面检测到与尾水管压力脉动主频相同的压力脉动;大流量工况下涡带旋转方向与转轮旋转方向相反,尾水管内压力脉动的最大值出现在弯肘段区域.     

混流泵反向发电压力脉动及流动诱导噪声分析

为研究混流泵在进行反向发电时的压力脉动规律及流动诱导噪声分布规律,对混流泵全流道进行三维数值模拟,得出压力脉动幅值在转轮出口处最大,约为转轮进口的1.3倍,约为导叶进口的3倍,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐减小。导叶进口处压力脉动主频为转频,转轮进口处压力脉动主频为叶频。采用边界元法对混流泵进行法向发电时的声场进行研究,转轮区与导叶区产生的噪声以离散噪声为主,最大声压级可达120dB。因混流泵的固体结构与水流发生共振,压力脉动主频与流动诱导噪声主频不一致,使得噪声三阶叶频的声压级增大,约为叶片通过频率声压级的1.1倍。     

导叶不同开度下水泵水轮机内流特性分析

为研究预开导叶不同开度下的内流特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,基于SST k-ω湍流模型,进行预开导叶不同开度下全流道三维非定常数值模拟和分析,并与试验结果进行对比验证.探讨活动导叶与转轮之间,以及转轮内的旋涡分布情况,定量分析了转轮受力情况和尾水管压力脉动.结果表明:在同步导叶开度一定的情况下,随着预开导叶个数的增加,其过流部件的流量将会增大,且存在于活动导叶和转轮区域的高速水环也会被破坏,形成紊乱的旋涡.从转轮区域看,在叶片的液道内形成不同的涡结构,其分布的不均匀性将直接影响转轮的受力情况.随着预开导叶个数的增加,这种情况将更为明显,转轮径向力的幅值逐渐增大.进一步分析尾水管压力脉动发现,尾水管压力脉动幅值也随着预开导叶个数的增加而增大,从而导致机组振动加剧、运行不稳定.     

带分流叶片混流式水泵非定常流动特性研究

为研究在流固耦合作用下分流叶片对混流式水泵的性能影响,以某型号的大流量混流式水泵作为研究对象,采用双向流固耦合方法和动网格变形技术对有/无分流叶片混流泵进行流场和结构场计算。对比分析了有/无分流叶片对混流泵非定常流动特性和动力学特性的影响。研究发现,分流叶片的添加使得动静干涉产生的压力脉动幅值的最大值大幅降低,但减小了脉动衰减的速度。有/无分流叶片对轴向力平均值影响不大,但考虑流固耦合效应时轴向力有所减小并有波动产生。分流叶片的添加可以降低应力以及形变的波动幅值。叶片最大应力区主要集中于靠近叶轮轮毂及轮缘处,分流叶片的添加使得叶片最大应力减小,且改善了应力变化梯度,使得应力分布更加均匀。分流叶片的添加也使得叶片形变在圆周方向更加均匀,改善了形变分布的偏心问题。研究结果可以为混流泵叶片的优化设计提供相应参考。     

轮缘间隙对贯流式水轮机转轮内部流动特性研究

以柴家峡电站原型机为研究对象,采用数值计算对水轮机转轮区域空化现象进行了系统的研究。通过改变轮缘间隙的距离,对灯泡贯流式水轮机不同轮缘间隙时的空化现象进行模拟,比较了不同间隙值转轮空化的发生状态,分析了轮缘间隙值变化对水轮机转轮空化性能及流场压力脉动的影响。结果表明:转轮内空化区域主要发生在叶片背面轮缘靠近出水边处和叶片背面轮毂间隙处,间隙值增大使轮缘处间隙空化发生剧烈。这是由于叶片与转轮室之间的位置存在间隙泄漏流动所引起的,此位置流体受到转轮主流的排挤作用并且在二次流和回流的共同作用下,间隙泄漏流动容易形成漩涡,从而致使此处的压力降低;叶片压力脉动呈现出周期性的变化,轮缘处对压力脉动所引起的振动敏感性大于叶片中部和轮毂处,当间隙值远离设计值时,压力幅值变化剧烈。