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基于流固耦合的混流式水轮机转轮应力分析

江苏联合职业技术学院淮安生物工程分院 丁宁 2018-2-10 20:15:38

  摘要:混流式水轮机转轮在正常运行时,会因为水利因素导致转轮叶片发生疲劳断裂或者出现裂纹,为了让机组在合适的工况和频域区间运行,避免因为应力或是振动等问题发生叶片失效。本文基于流固耦合理论,采用顺序耦合法,通过建立转轮模型、CFD分析、流固耦合应力分析以及振型仿真等操作。分析额定工况和飞逸工况下的运行规律。
   关键词:混流式水轮机;流固耦合;转轮应力;数值模拟分析
  
   1 引言
   本研究以某电站的混流式水轮发电机组为研究对象,进行流固耦合的应力性能分析。电站和机组的部分参数如表1所示。
   表1 电站和机组参数
  
   在对水轮机转轮的流固耦合的应力数值模拟分析过程中,由于应力分析的对象是转轮叶片实体,因此,最常用的建模方法是直接建立转轮实体模型,然后进行叶片强度计算。该方法具有操作步骤少、计算时间短等特点,但是计算精度的高低,却无法得到保证。由于转轮在水中运行,其承受的载荷有变化复杂的水压力载荷,以及与导水机构、尾水管等其余部件相互关联的力作用等,因而上述直接建立的转轮实体模型,只是一个单独的部件,在进行数值计算时,载荷的添加只能以表1中的最大水头值为基准,结合经验进行人工加载,这样显然与实际情况有所偏差,故无论是流固耦合的应力计算还是振型仿真,结果都不会十分准确。故建模方法需要进一步修正。
   修正建模方案的目的,是为了改变传统建模方案中的载荷无法准确设置的问题,以达到提高计算精度的目的。而这一切的关键是能够提取与实际条件相一致的水压力参数,因此,在建立转轮实体模型之前,先建立一个全流道模型,并进行Computational Fluid Dynamics流场分析,便能够有效提出较为准确的水压力载荷参数,数值计算过程如图1所示。
   综上所述,修正建模方案中,主要是多建立一个全流道模型,即需要完成全流道和转轮实体这两种模型的构建。
  
   图1 数值计算流程
   2 模型的建立
   2.1 混流式水轮机全流道模型的构建
   混流式水轮机全流道是指机组所有过流部件的内部流场。本文采用Catia三维造型软件来建立全流道模型,具体的操作步骤为:(1)分别建立蜗壳、导水机构、转轮、尾水管等过流部件的流场模型;(2)根据各部件流场之间的相对位置关系(例如:转轮中心线与尾水管进口中心线重合、蜗壳出口流面与固定导叶进口流面重合等),组合所有流场模型;(3)在三维软件中采用整体生成命令,将组合好的流程生成整体流场。全流道模型,如图2所示。
  
   图2 水轮机全流道模型
   2.2 转轮实体模型的构建
   建立准确的转轮实体模型是有限元应力计算和振动分析的前提。转轮模型包括上冠、下环以及叶片3个部分,由于上冠和下环形状规则,故本文仅讨论短叶片模型的构建问题。
   (1)叶片型线分析
   混流式水轮机转轮叶片形状是光滑、复杂的,若将其结构抽象为面体,则包括:正面(雕塑曲面)、背面、进水边圆弧、出水边曲面等。叶片建模方法是将翼型在三维空间中以一定位置排列,将叶片投影到平面坐标轴上的轴界面,沿着Z轴,每隔相等间距,取样一个翼型截面,叶片翼型截面就包含有: 、 、 ……;绘制翼型时,建立截面的x,y坐标,沿y方向取若干等距离, , ,每一个 对应两个x坐标, 和 ,绘制出所有坐标点,将其连接成光滑的曲线,便完成了该截面翼型的绘制。在完成全部翼型的绘制和排列后,本文采用NURBS法,即通过样条曲线生成光滑的曲面。由于该曲线是通过NURBS拟合方程式来建立的,故相比于凭经验建模的传统方法,具有模型精度更高的优点。
   (2)叶片曲面拟合
   在Catia软件的实体造型模块,依照翼型截面的排列顺序,将已知的翼型曲线数据(.xls格式)逐个导入。通常情况下,三维造型软件中的样条曲线格式为NURBS,因此,在具体绘图操作中拟选择三次样条曲线。同时,虽然翼型数据是给定的,但是为了使叶片具有更高的光滑性,可以将叶片型线进行微调,使截面之间的过渡性更加良好。然后,采用“曲线组”命令,完成模型的曲面拟合。由于相邻翼型之间存在一定的距离,拟合后难免出现不光顺的情况(距离越远,不光滑的程度越高)。此时,选择“曲线光顺”对这些细节区域进行调整。再重复进行拟合操作,并通过观察法对模型进行判断,一直到模型质量满足要求,。
   (3)叶片自由曲面的延(未完,下一页

  
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