水輪機(jī)過流部件的優(yōu)化設(shè)計和振動特性分析.pdf

1、開展水輪機(jī)過流部件內(nèi)部的非定常流動分析以及水輪機(jī)過流部件的優(yōu)化設(shè)計和振動特性研究對于深入了解水輪機(jī)振動的內(nèi)在機(jī)理、改善水輪機(jī)的綜合水力性能、提高水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性具有十分重要的意義。本文結(jié)合CFD技術(shù)和流固耦合技術(shù)，進(jìn)行了水輪機(jī)全過流部件的三維非定常數(shù)值模擬；提出了一種結(jié)合三維CFD分析的蝸殼優(yōu)化設(shè)計方法，對蘇只水電站的不完全蝸殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計；以CFD分析為基礎(chǔ)，對轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行了強(qiáng)度分析，采用固耦合技術(shù)對水輪機(jī)過流部件進(jìn)行了振動

2、特性分析，主要創(chuàng)新點和結(jié)論如下：
　　(1)在對水輪機(jī)內(nèi)部流動規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，采用雷諾平均N-S方程和κ-ε紊流模型對水輪機(jī)內(nèi)部的定常流動進(jìn)行了整體模擬，分別進(jìn)行了三個正常運(yùn)行工況和三個飛逸工況的流動分析，獲得了各工況下水輪機(jī)內(nèi)部的流動參數(shù)。對飛逸工況的分析結(jié)果表明：飛逸工況下，葉片的正背面壓力和流速分布極不規(guī)則，存在著明顯的低壓區(qū)和渦流區(qū)，流道內(nèi)的旋渦較為明顯。
　　(2)在全流道非定常流動計算方面進(jìn)行了嘗試，對包括蝸殼

3、、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管在內(nèi)的混流式水輪機(jī)全過流部件進(jìn)行了三維非定常流動計算。對葉片表面壓力分布的分析結(jié)果表明，水壓力脈動對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片各個位置的影響并不一致。壓力脈動對進(jìn)水邊的影響要小于對出水邊的影響，壓力脈動對葉片下環(huán)的影響要小于對葉片上冠的影響，壓力脈動對葉片背面的影響要大于對葉片正面的影響。
　　(3)針對不完全蝸殼在實際工程應(yīng)用中存在的問題，提出了一種結(jié)合三維CFD分析的蝸殼優(yōu)化設(shè)計方法。以蝸殼進(jìn)口支墩尾部形

4、狀為優(yōu)化對象，以出流角、周向流量分配和蝸殼效率為目標(biāo)函數(shù)，對不完全蝸殼進(jìn)行了三維CFD分析和改型優(yōu)化設(shè)計，成功地解決了不完全蝸殼中雙支墩加劇出流不均勻性的問題。采用該方法對蘇只水電站的水輪機(jī)蝸殼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對優(yōu)化前后的蝸殼性能進(jìn)行了分析計算，結(jié)果理想。目前該電站已投入運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，情況良好。
　　(4)針對目前強(qiáng)度分析中普遍采用的簡化方法，本文提出以非定常流動計算為基礎(chǔ)，將轉(zhuǎn)輪過流表面的連續(xù)動水壓力在不同時刻以離散點的

5、形式加載至有限元分析模型，對葉片進(jìn)行動應(yīng)力分析。這種方法得到的葉片表面水壓力載荷的變化和動應(yīng)力的分析結(jié)果能夠真實反映真機(jī)的實際運(yùn)行情況，對于解決實際電站的葉片裂紋問題具有重要的實用價值。
　　(5)對固定導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和單個葉片進(jìn)行了振動特性分析?？紤]流固藕合作用后固定導(dǎo)葉在水中的頻率比在空氣中的頻率有所降低，且降低系數(shù)具有非線性的特點。水壓力和旋轉(zhuǎn)離心力對轉(zhuǎn)輪和葉片的振動特性有幅度不大的影響，本文建議在工程實際中對水壓力和旋轉(zhuǎn)離心力