混流式水轮机转轮动力特性分析与研究

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1、混流式水轮机转轮动力特性分析与研究　　【摘要】混流式水轮机转轮振动现象会对大型水轮机发电机组的安全、稳定运行产生严重的危害，因此对水轮机转轮在实际运行中的振动现象进行深入的研究就显得十分重要而有意义。本文通过对水轮机转轮振动引起的危害即叶片裂纹的产生进行深入的分析，包括叶片裂纹的产生部位，叶片裂纹的产生机理是叶片疲劳等，阐述了转轮振动对水轮机发电机组的危害；对转轮的动力特性进行了分析，探讨了流固耦合问题，流体与结构的相互作用产生各种各样的流固耦合现象；讨论了流体附加质量对转轮振动频率的影响，应用了振动相似理论分析了物体在

2、空气中和液体中的相似性，给出了物体在空气中和液体中固有频率的关系；研究了水轮机转轮振动的外激振力，包括转轮和导叶之间叶栅的干扰，涡列引起的水轮振动，尾水窝带等，并提出避免上述激振力而引发水轮机转轮振动的具有建设性的措施。　　【关键词】叶片裂纹流固耦合流体附加质量叶栅干扰卡门涡列尾水涡带10　　随着经济技术的发展，水力发电对水轮机的要求不断提高，水轮发电机组的容量、尺寸及比转速不断提高，材料强度提高，而刚度相对降低。尤其是高强度的不锈钢转轮的增多，转轮相对减薄，且水头变幅大，转轮的水力振动问题日益突出。水轮机工作过程中受到

3、多种复杂应力作用，包括离心力、水压力和焊接转轮的应力、加工应力等，不但要满足启动、停机的要求，而且经常需要在非设计工况下运行。这就造成水轮机的运行必须要承受各种稳定和非稳定的水流激振力以及变化的离心力，正是由于这些激振力的作用，使得水轮机转轮产生振动，而长时间的机组振动可能引起结构的疲劳破坏，并且激励源频率与水轮机结构在水中的固有频率接近或相同时可引发共振，在共振条件下极易引起结构的破坏，引发水轮机的转轮叶片产生裂纹，因此对水轮机转轮动力特性进行深入研究就显得尤为重要。本文研究了水轮机转轮叶片裂纹的产生机理以及产生位置，

4、深入探讨了引起水轮机振动的激振力，并提出了避免水轮机转轮振动的具有建设性意义的措施。　　1叶片裂纹问题综述　　转轮裂纹而引起水轮机不能正常运行的现象比较常见。随着我国水电能源的不断开发，开展转轮叶片裂纹问题的研究工作对这些新建电站的稳定运行具有十分重要的意义。以下将对水轮机转轮裂纹产生的部位、形态、原因进行分析：10　　裂纹的产生部位：（1）叶片裂纹主要出现在出水边与上冠和下环的连接焊缝处或焊接热影响区等位置；（2）对于分瓣加工的转轮，叶片裂纹出现在分瓣面处的几率更大；（3）有个别机组的低应力部位也可能出现叶片裂纹。大量

5、理论计算和实践结果表明，叶片的出水边与上冠和下环的连接处是应力最大的部位，而且刚度比较低，因而也容易发生疲劳破坏，出现叶片裂纹。叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷，而交变载荷又由转轮的水力自激振动引发，这可能是由卡门涡列、水力弹性振动或水压脉动所诱发。几乎所有的叶片裂纹都出现了疲劳破坏的典型特征，叶片裂纹出现的根本原因是疲劳强度不足。疲劳强度又包括两方面：材料的许用疲劳强度和叶片的动载荷，后者又对前者有重要的影响。转轮叶片裂纹的产生包括很多方面的原因：叶片翼型设计不合理，使会使转轮工作中通流不畅，容易在流道内形成脱流、漩涡

6、等不利的水流现象，引起叶片上静应力的增大从而导致叶片产生裂纹。在水力因素方面：叶道涡、卡门涡和尾水管涡带以及通过叶栅频率的压力脉动等造成在叶片裂纹处产生过高的应力集中（包括静应力和动应力）。叶片材质的疲劳强度不足：从所有开裂叶片的裂纹位置来看，都具有显著的部位特征。第一是上冠根部附近，第二是下环根部附近。起裂部位既有在焊接热影响区的，也有在焊缝部位的。转轮受到的动载荷超出额定载荷，转轮动载荷方面的实验数据很难得到，一般认为动应力大概为静应力的5%～10%，这是在额定工况下的数据，但是水轮机的工况不只是额定功率运行状态，所

7、以把它推广到所有工况就显得有点牵强了。　　2转轮结构的动力特性分析　　2.1流固耦合问题研究以及流体附加质量对动力学特性的影响10　　从求解方法流来区分固耦合问题基本经历了两个历程，即弱耦合求解方法和强耦合求解方法：弱耦合方法又称为交替求解法，以不同介质结构区分将求解域按分割为固体结构域和流体域，流体与结构控制方程在时间、空间上交替迭代。这种求解方法求解的流体域与结构域的解互相独立，再通过耦合界面互相作用以得到耦合解。通过假定初始的耦合边界，求解出流体控制方程，然后将计算得到的耦合边界上的压力导入固体耦合表面，以作为其边

8、界压力载荷，求解固体结构的动力学控制方程，得到固体结构及流固耦合界面的位移分布及变形情况，以此作为在下一个时间步长内新的流体边界条件，重新求解流体控制方程，通过反复交替迭代，直至收敛。由于这类方法可以灵活的求解流体和结构，而且可以很容易的实现，可以通过采用成熟的商业分析软件及流体和结构分析程序进行求解，所以早期流-固