冲击式水轮机流固耦合数值模拟研究

随着冲击式水轮机比转速、尺寸、单机容量不断增大,大量新型材料的使用导致水轮机的相对刚度降低,高速射流的冲击力作用以及转轮自身的高速旋转所引起的结构振动、水斗表面局部损坏、水斗整体断裂问题十分突出,严重影响到水轮机运行的安全和稳定,引起了国内外广大研究人员的关注。目前,国内外关于冲击式水轮机转轮结构力学性能的研究欠深入,一般选取某一瞬时状态进行静力分析,然后以此为基础进行转轮结构的模态分析,在多喷嘴水斗式水轮机结构方面的研究较少。本文在前人研究的基础上,采用流固耦合数值模拟方法,首先研究了冲击式水轮机在启动工况、额定运行工况、飞逸工况的水力特性和结构特性;然后针对多喷嘴水斗式水轮机进行了流固耦合分析,并对转轮结构进行模态分析。这是对冲击式水轮机转轮结构动力学特性研究的一种探索和尝试。本文以CJA475-W-83冲击式水轮机转轮结构为研究对象,在给定水轮机水力条件下进行转轮三维建模、流场分析、静力分析,在此基础上,探究冲击式水轮机在不同工作状态下的振动特性:(1)转轮流场分析。考虑水气二相流作用,在Fluent软件中建立转轮流场三维瞬态分析模型,进行流体流态计算,得到额定运行工况、启动过程、飞逸过程下的流态和压力分布规律;然后计算多喷嘴水斗式水轮机稳定运行工况下不同水头、不同开度情况下的水力特性,为之后转轮结构有限元分析提供荷载依据。(2)转轮结构静力分析。运用单向流固耦合的方式,提取流场分析的结果作为转轮静力分析的荷载,利用Ansys Workbench中的Static Structural模块对转轮结构进行静力分析,得到启动、额定、飞逸工况下转轮结构的应力、位移分布规律,为之后工作状态下的结构振动模态分析提供应力依据。(3)转轮结构模态分析。在静力分析的基础上,对转轮结构进行自由状态、约束状态和工作状态下的模态分析,得到转轮静频、动频以及各阶振型。通过分析频率,得到了转轮结构的固有频域范围;通过分析振型,得到了转轮结构的振动规律;同时,探究了转轮转速和射流冲击力对冲击式水轮机转轮结构模态的影响,结合冲击式水轮机的运行工况判断转轮结构共振的可能性。本文模拟了冲击式水轮机过渡过程中的水力特性和结构动力特性,并针对多喷嘴水斗式水轮机进行了分析,所得结论有助于指导水轮机设计和运行,且对实际工程有参考价值。

水斗式水轮机; 过渡过程; 流激振动; 数值模拟;

程永光;

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