軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造中的關(guān)鍵問題研究.pdf

1、我國有相當(dāng)一部分軸流式水力機(jī)組空蝕破壞嚴(yán)重、運(yùn)行穩(wěn)定性差、綜合性能指標(biāo)較低,亟待改造,開展軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造中的關(guān)鍵問題研究對于改善機(jī)組的綜合性能、提高低水頭水能資源的利用效率以及提高水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性具有非常重要的意義。本文結(jié)合CFD技術(shù)和流固耦合技術(shù),開展了流動分析、動應(yīng)力分析、流固耦合計算以及改型設(shè)計和性能預(yù)測等若干軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪改造中關(guān)鍵問題的研究工作。本文以軸流式水輪機(jī)為研究對象,進(jìn)行了水輪機(jī)全過流部件的三維數(shù)值模擬

2、,在此基礎(chǔ)上,開展了軸流式葉片的動應(yīng)力問題研究,進(jìn)行了軸流式葉片的流固耦合分析,最后對湖北陸水水電站的軸流式轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了改型設(shè)計和性能預(yù)測。(1)對軸流式水輪機(jī)的內(nèi)部流動進(jìn)行了全流道數(shù)值模擬,研究了運(yùn)行工況對軸流式水輪機(jī)內(nèi)部的流場分布的影響,分析了各過流部件表面的壓力脈動情況以及非定常流動特性。定常流動的研究結(jié)果表明：固定導(dǎo)葉出口水流角在周向上分布的不均勻程度隨水輪機(jī)流量的增大而增加；導(dǎo)葉區(qū)的流動要素沿周向分布的均勻性隨導(dǎo)葉開度的增大逐漸

3、減弱；大流量工況下,來流不均勻引起的各葉片表面壓力分布的差異在輪轂處附近表現(xiàn)得最為明顯,輪緣附近次之,各截面葉片間相差較大的地方均位于葉片前半部分。非定常流動的研究結(jié)果表明：不同工況下,相近時刻的導(dǎo)葉正背面壓力分布趨勢差異較大；導(dǎo)葉區(qū)壓力脈動的主頻含有與尾水管低頻壓力脈動相同的頻率成分,在底環(huán)和中間點的壓力脈動中還含有接近機(jī)組轉(zhuǎn)頻的頻率成分；尾水管進(jìn)口壓力脈動的主頻成分主要為低頻成分,這種低頻壓力脈動是水輪機(jī)中壓力脈動的主要脈動源之一；

4、葉片表面的壓力脈動頻率除了低頻成分外,還有機(jī)組轉(zhuǎn)頻倍數(shù)的中頻成分,為機(jī)組的次要振動源。(2)對軸流式轉(zhuǎn)輪和葉片分別進(jìn)行了強(qiáng)度計算,對單葉片進(jìn)行了動應(yīng)力分析,分析了不同工況下軸流式轉(zhuǎn)輪和葉片的應(yīng)力分布特點及應(yīng)力集中區(qū),揭示了軸流式葉片動應(yīng)力與流道內(nèi)水壓力脈動之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：在水壓力的作用下,葉片上出現(xiàn)了3個應(yīng)力集中區(qū)；整體轉(zhuǎn)輪的最大應(yīng)力值隨葉片轉(zhuǎn)角增大逐漸減??；隨著葉片轉(zhuǎn)角增大,葉片表面從輪轂至輪緣應(yīng)力變化梯度逐漸增大,葉片表面

5、應(yīng)力分布不均勻程度增大。葉片動應(yīng)力分析結(jié)果表明,葉片上最大應(yīng)力點隨工況和時間的不同在葉片壓力面與法蘭連接處靠近下游側(cè)和葉片吸力面與法蘭連接處靠近下游側(cè)之間變化；葉片與法蘭連接處存在高幅動應(yīng)力明顯大于葉片靜應(yīng)力的分析結(jié)果；葉片中部的應(yīng)力波動比輪轂和輪緣嚴(yán)重,出水邊比進(jìn)水邊明顯；葉片上各點的動應(yīng)力頻率成分與流道內(nèi)的水壓力脈動頻率基本一致,說明葉片上的高幅動應(yīng)力主要由水壓力脈動引起。(3)對軸流式轉(zhuǎn)輪和葉片進(jìn)行了振動特性分析,對葉片進(jìn)行了流固

6、耦合分析,研究了流固耦合作用對葉片區(qū)流場以及葉片應(yīng)力分布的影響。研究結(jié)果表明,軸流式葉片在水中的固有頻率有所降低,具有非線性的特點；考慮流固耦合作用后,葉片正背面壓差增大,在一定程度上惡化了葉片的空化性能；考慮流固耦合作用后,葉片上的應(yīng)力分布和最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置均未發(fā)生明顯變化；與非定常流動計算結(jié)果相比,各時刻最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變的變化情況各不相同；流固耦合作用不僅改變了葉片區(qū)的流場分布,對葉片的應(yīng)力也有較大影響。(4)對湖北陸水水電站

7、的軸流式轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了改型設(shè)計與性能預(yù)測。通過對葉片翼型幾何形狀的優(yōu)化,改善了轉(zhuǎn)輪的水力性能；對改型后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了性能預(yù)測,詳細(xì)分析了改型后軸流式轉(zhuǎn)輪主要工況的水力性能,繪制了轉(zhuǎn)輪的定槳曲線、轉(zhuǎn)槳的模型綜合特性曲線以及最大水頭下的導(dǎo)葉水力矩曲線。電站的實際運(yùn)行情況表明,改型后轉(zhuǎn)輪ZZX30的各項指標(biāo)達(dá)到了改型目標(biāo)提出的要求,效率高,出力穩(wěn)定,綜合性能有了較大提高,為電站創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益,也說明了本文采用的改型設(shè)計方法和性能預(yù)測方法是有效