水輪機過流部件的優(yōu)化設計和振動特性分析.pdf

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

2、特性分析，主要創(chuàng)新點和結論如下：
　　(1)在對水輪機內(nèi)部流動規(guī)律分析的基礎上，采用雷諾平均N-S方程和κ-ε紊流模型對水輪機內(nèi)部的定常流動進行了整體模擬，分別進行了三個正常運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內(nèi)部的流動參數(shù)。對飛逸工況的分析結果表明：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行了嘗試，對包括蝸殼

3、、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管在內(nèi)的混流式水輪機全過流部件進行了三維非定常流動計算。對葉片表面壓力分布的分析結果表明，水壓力脈動對水輪機轉輪葉片各個位置的影響并不一致。壓力脈動對進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用中存在的問題，提出了一種結合三維CFD分析的蝸殼優(yōu)化設計方法。以蝸殼進口支墩尾部形

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函數(shù)，對不完全蝸殼進行了三維CFD分析和改型優(yōu)化設計，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蝸殼進行了優(yōu)化設計，并對優(yōu)化前后的蝸殼性能進行了分析計算，結果理想。目前該電站已投入運行，機組運行穩(wěn)定，情況良好。
　　(4)針對目前強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，將轉輪過流表面的連續(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，對葉片進行動應力分析。這種方法得到的葉片表面水壓力載荷的變化和動應力的分析結果能夠真實反映真機的實際運行情況，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)對固定導葉、轉輪和單個葉片進行了振動特性分析。考慮流固藕合作用后固定導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。水壓力和旋轉離心力對轉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離心力