水轮机过流部件的优化设计和振动特性分析

论文摘要

开展水轮机过流部件内部的非定常流动分析以及水轮机过流部件的优化设计和振动特性研究对于深入了解水轮机振动的内在机理、改善水轮机的综合水力性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有十分重要的意义。 本文结合CFD技术和流固耦合技术，进行了水轮机全过流部件的三维非定常数值模拟；提出了一种结合三维CFD分析的蜗壳优化设计方法，对苏只水电站的不完全蜗壳进行了优化设计；以CFD分析为基础，对转轮叶片进行了强度分析，采用固耦合技术对水轮机过流部件进行了振动特性分析，主要创新点和结论如下： （1） 在对水轮机内部流动规律分析的基础上，采用雷诺平均N-S方程和κ-ε紊流模型对水轮机内部的定常流动进行了整体模拟，分别进行了三个正常运行工况和三个飞逸工况的流动分析，获得了各工况下水轮机内部的流动参数。对飞逸工况的分析结果表明：飞逸工况下，叶片的正背面压力和流速分布极不规则，存在着明显的低压区和涡流区，流道内的旋涡较为明显。 （2） 在全流道非定常流动计算方面进行了尝试，对包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管在内的混流式水轮机全过流部件进行了三维非定常流动计算。对叶片表面压力分布的分析结果表明，水压力脉动对水轮机转轮叶片各个位置的影响并不一致。压力脉动对进水边的影响要小于对出水边的影响，压力脉动对叶片下环的影响要小于对叶片上冠的影响，压力脉动对叶片背面的影响要大于对叶片正面的影响。 （3） 针对不完全蜗壳在实际工程应用中存在的问题，提出了一种结合三维CFD分析的蜗壳优化设计方法。以蜗壳进口支墩尾部形状为优化对象，以出流角、周向流量分配和蜗壳效率为目标函数，对不完全蜗壳进行了三维CFD分析和改型优化设计，成功地解决了不完全蜗壳中双支墩加剧出流不均匀性的问题。采用该方法对苏只水电站的水轮机蜗壳进行了优化设计，并对优化前后的蜗壳性能进行了分析计算，结果理想。目前该电站已投入运行，机组运行稳定，情况良好。 （4） 针对目前强度分析中普遍采用的简化方法，本文提出以非定常流动计算为基础，将转轮过流表面的连续动水压力在不同时刻以离散点的形式加载至有限元分析模型，对叶

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 水轮机稳定性研究现状
• 1.2.1 水力机组运行不稳定的表现形式
• 1.2.2 水力机组运行稳定性的影响因素讨论
• 1.2.3 水轮机叶片应力的研究方法
• 1.2.4 机组振动和稳定性问题的研究现状
• 1.3 水轮机的流固耦合问题
• 1.3.1 流固耦合问题的发展
• 1.3.2 流固耦合技术在叶轮机械研究中的应用
• 1.3.3 流固耦合技术在水轮机研究领域的应用情况
• 1.4 本文主要研究内容
• 2 混流式水轮机全流道三维定常流动计算
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 湍流流动基本方程
• 2.1.2 时均化湍流方程
• 2.1.3 三维湍流数值模型
• 2.1.4 边界条件
• 2.2 计算域的网格划分
• 2.2.1 非结构化网格技术
• 2.2.2 计算域的选取
• 2.2.3 混流式水轮机过流部件的网格划分
• 2.3 控制方程的离散和求解
• 2.3.1 定常流动微分方程的有限体积法离散
• 2.3.2 不可压缩流体粘性流动计算的速度—压强修正算法
• 2.4 水轮机过流部件的定常流动计算
• 2.4.1 计算条件
• 2.4.2 定常流动计算结果分析
• 2.5 本章小结
• 3 混流式水轮机全流道三维非定常流动计算
• 3.1 计算条件的设定
• 3.2 非定常流动计算结果分析
• 3.2.1 蜗壳计算结果分析
• 3.2.2 导叶计算结果分析
• 3.2.3 转轮计算结果分析
• 3.2.4 蜗壳计算结果分析
• 3.3 小结
• 4 不完全蜗壳的改型优化设计
• 4.1 不完全蜗壳的改型设计方法
• 4.2 优化结果分析
• 4.2.1 优化前后支墩形状的变化
• 4.2.2 流动分析的计算条件
• 4.2.3 支墩尾部形状对水流方向的影响
• 4.2.4 蜗壳内部的速度和压力分布
• 4.2.5 蜗壳出口参数的比较
• 4.2.6 蜗壳效率的比较
• 4.3 小结
• 5 转轮叶片强度分析
• 5.1 数值模型
• 5.1.1 离心力场下结构的有限元运动方程
• 5.1.2 静力平衡方程
• 5.2 强度分析的几何模型
• 5.3 载荷的施加
• 5.4 转轮的强度计算
• 5.5 叶片的强度计算
• 5.6 网格对叶片强度计算结果的影响
• 5.7 叶片的动应力分析
• 5.7.1 动水压力载荷的施加
• 5.7.2 工况1计算结果分析
• 5.7.3 工况1和工况2的比较
• 5.8 小结
• 6 过流部件振动特性分析
• 6.1 弹性结构静频和动频的计算模型
• 6.2 流-固耦合振动的控制方程
• 6.3 转轮在水中频率的计算方法
• 6.4 固定导叶振动特性分析
• 6.5 转轮和叶片振动特性分析
• 6.5.1 转轮在空气中的固有频率
• 6.5.2 叶片在空气中的固有频率
• 6.5.3 节点数不同时叶片固有频率的差异
• 6.5.4 转轮在水中的固有频率
• 6.6 运行状态下转轮和叶片的振动特性
• 6.6.1 水压力对叶片振动特性的影响
• 6.6.2 离心力对叶片振动特性的影响
• 6.6.3 联合作用对叶片振动特性的影响
• 6.6.4 联合作用对转轮振动特性的影响
• 6.7 水力激振力分析
• 6.8 转轮和叶片频率与激振力频率的比较
• 6.9 小结
• 7 总结
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 论文发表情况