导叶开度对混流式水轮机转轮应力应变的影响

发布时间：2021-04-10 14:46

　　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. 

【文章来源】：排灌机械工程学报. 2020,38(11)北大核心CSCD

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

水轮机三维几何模型

图1 水轮机三维几何模型基于单向流固耦合的方法，采用standard k-ε湍流模型和Scalable壁面函数，运用ANSYS CFX软件对混流式水轮机过流部件进行数值计算，计算时首先对水轮机进行定常计算，然后以其结果作为非定常计算的初始值进行非定常相关数值计算．在数值计算时设置进口为总压进口，出口为静压出口，壁面为无滑移壁面，工作介质为纯水．在进行非定常计算时，时间步长设为1.833 52×10-3s，即以转轮每转过3°的时间为1个时间步长．计算收敛后，取最后1个周期进行分析．残差收敛标准设置为10-5，当计算残差小于10-5时，即认为计算收敛．转轮转速设为272.7 r/min，方向同z轴，转轮受到来自流体的压力，其大小直接由流场计算结果导入．

图3为现场所拍摄到的混流式水轮机转轮破坏位置．由图3可见，混流式水轮机转轮叶片发生破坏的主要位置位于转轮叶片出口靠近下环以及与泄水锥交接处．为了分析该转轮叶片出现破坏的机理，采用数值计算方法在不同导叶开度下对该机组进行流固耦合计算．

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双向流固耦合的核主泵叶轮力学特性[J]. 钟伟源,朱荣生,王秀礼,卢永刚,刘永,康俊鋆.  排灌机械工程学报. 2018(06)
[2]基于双向流固耦合的贯流式水轮机动力特性分析[J]. 郑小波,王玲军,翁凯.  农业工程学报. 2016(04)
[3]基于双向流固耦合的混流泵叶轮力学特性研究[J]. 李伟,杨勇飞,施卫东,季磊磊,蒋小平.  农业机械学报. 2015(12)
[4]基于瞬态流固耦合的混流式转轮叶片裂纹成因分析[J]. 吴广宽,罗兴锜,冯建军,李文锋.  农业工程学报. 2015(08)
[5]基于流固耦合的贯流式水轮机应力分析[J]. 张福星,郑源,魏佳芳,丁琳,杨春霞.  水力发电学报. 2014(03)
[6]垂直轴水轮机单向流固耦合数值研究[J]. 张亮,何环宇,张学伟,马勇.  华中科技大学学报(自然科学版). 2014(05)
[7]基于双向流固耦合水轮机转轮应力特性分析[J]. 肖若富,朱文若,杨魏,刘洁,王福军.  排灌机械工程学报. 2013(10)
[8]基于流固耦合的混流式水轮机转轮应力特性分析[J]. 周东岳,祝宝山,上官永红,曹树良.  水力发电学报. 2012(04)
[9]混流式水轮机叶片疲劳裂纹分析及其改进方案[J]. 肖若富,王福军,桂中华.  水利学报. 2011(08)

硕士论文
[1]基于流固耦合的贯流式水轮机内部流动及动力学分析[D]. 王少婷.西安理工大学 2017



本文编号：3129829