基于流固耦合的低水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片靜力分析

崔軍玲,余 波,廖 翔,劉 育,李文浩

(1.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川成都610039；2.西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610039)

基于流固耦合的低水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片靜力分析

崔軍玲1,2,余 波1,2,廖 翔1,2,劉 育1,2,李文浩1,2

(1.西華大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,四川成都610039；2.西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610039)

依據(jù)西南某低水頭水電站混流式水輪發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目,對新水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行數(shù)值模擬,采用單向流固耦合方法,研究轉(zhuǎn)輪葉片在擬定水頭下,導(dǎo)葉開度從17°～33°運(yùn)行工況時的靜力特性。結(jié)果表明在不同工況下該轉(zhuǎn)輪葉片最大靜應(yīng)力與開度關(guān)系變化趨勢基本一致。

低水頭;流固耦合；靜力分析；混流式水輪機(jī)

0 引 言

近年來, 在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片水力特性優(yōu)化過程中,利用CFD技術(shù)開發(fā)的高效的新轉(zhuǎn)輪投入運(yùn)行后,發(fā)生裂紋的比重偏高,一些長期在偏最優(yōu)工況下運(yùn)行的新轉(zhuǎn)輪,葉片甚至發(fā)生斷裂或折斷[8]。因此,在基于CFD技術(shù)優(yōu)化設(shè)計的新轉(zhuǎn)輪在生產(chǎn)前對其進(jìn)行轉(zhuǎn)輪體及轉(zhuǎn)輪葉片動力特性分析非常必要。

本文依據(jù)西南某低水頭水電站混流式水輪發(fā)電機(jī)組增效擴(kuò)容改造項(xiàng)目,對水輪機(jī)全流道進(jìn)行CFD模擬,運(yùn)用單流固耦合方法,研究轉(zhuǎn)輪葉片在擬定水頭下,導(dǎo)葉開度從17°～33°運(yùn)行工況時的靜力特性。

1 計算方法

1.1 流場數(shù)值計算方法

研究采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn)對速度和壓力之間的耦合,應(yīng)用有限體積法離散控制方程。對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散,擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式。近壁區(qū)域流動通過標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法描述,使用RNGk-ε湍流模型封閉方程組[9-11]。

1.2 強(qiáng)度計算的靜力學(xué)有限元方程

強(qiáng)度計算的靜力學(xué)有限元方程

Ku=Fs+Ft，σ=DBu

(1)

式中，K為整體剛度矩陣；u表示節(jié)點(diǎn)位移；Fs和Ft分別代表流體流動對流固交界面產(chǎn)生的壓力以及轉(zhuǎn)輪自身旋轉(zhuǎn)及重力所引起的慣性力；σ為結(jié)構(gòu)應(yīng)力；D為結(jié)構(gòu)彈性常數(shù)矩陣；B為結(jié)構(gòu)應(yīng)變矩陣。

1.3 單向流固耦合計算方法

單向流固耦合分析按設(shè)定順序在同一求解器或不同求解器中分別求解流體控制方程和固體控制方程,通過流固交界面把流體域和固體域的計算結(jié)果互相交換傳遞,進(jìn)行迭代計算。

2 計算模型

選取西南某低水頭水電站混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪作為研究對象,建立真實(shí)尺寸下的三維模型,部分地方做簡化處理。對水輪機(jī)流場進(jìn)行數(shù)值計算,得到轉(zhuǎn)輪葉片水力壓力數(shù)據(jù)。將該流場計算結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)場,同時施加重力和離心力,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪流固耦合計算分析。本研究選用分離式單流固耦合方法來進(jìn)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的靜力分析。

該水輪機(jī)基本參數(shù)為：轉(zhuǎn)輪直徑1.415 mm,葉片數(shù)為15,額定水頭30.5 m,額定轉(zhuǎn)速300 r/min,額定出力4 223 kW,設(shè)計流量15.77 m3/s。該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪全部(包括上冠、下環(huán)和葉片)采用了ZG06Cr16Ni5Mo(馬氏體)不銹鋼材料,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3,彈性模量2.06 GPa,屈服強(qiáng)度為588 MPa。

本研究水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪三維模型采用適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分593288個,節(jié)點(diǎn)983378個。全流道與轉(zhuǎn)輪部分水體模型以及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪葉片網(wǎng)格劃分后的效果如圖1、2所示。

圖3 轉(zhuǎn)輪體的約束與載荷

圖1 水體模型

圖2 轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)場模型

3 計算工況和邊界條件

為掌握該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力、變形隨流量的變化關(guān)系,研究選擇的工況為：最大水頭31.8 m、額定水頭30.5 m、最小水頭28.1 m 3個水頭下,導(dǎo)葉開度從17°～33°,共21個工況點(diǎn)。

邊界條件包括約束與載荷：本研究采用了水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸相連接面的固定約束；載荷分為慣性載荷和表面載荷,慣性載荷包括重力加速度和轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)離心力,表面載荷為作用在所有流固耦合面上的水壓力。約束與載荷的施加如圖3所示。

4 結(jié)果分析

通過ANSYS軟件進(jìn)行考慮單項(xiàng)流固耦合的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片靜力分析,可以得到轉(zhuǎn)輪各個點(diǎn)、各個面的應(yīng)力、應(yīng)變,主應(yīng)力、主應(yīng)變,等效應(yīng)力、總變形等分布云圖。采用ANSYS默認(rèn)的Von-Mises屈服條件,對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行靜強(qiáng)度評價,依照畸變能密度理論(第四強(qiáng)度理論)驗(yàn)證Von-Mises等效應(yīng)力與許用應(yīng)力的關(guān)系。

圖4、5、6給出了各特征水頭下該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的最大等效應(yīng)力和最大總變形量隨流量的變化關(guān)系。

通過圖4～6可以看出,該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在不同運(yùn)行工況下,最大等效應(yīng)力和最大總變形量均分別出現(xiàn)在葉片出水邊根部近上冠處和離主軸法蘭面最遠(yuǎn)的最大半徑處,這與文獻(xiàn)[16]數(shù)值計算結(jié)果一致,且這一特點(diǎn)也符合結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。由此可知本研究利用考慮單項(xiàng)流固耦合方法進(jìn)行的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片靜力數(shù)值計算結(jié)果是可信的。

圖4 最小水頭、導(dǎo)葉開度為29°時轉(zhuǎn)輪體的等效應(yīng)力與總變形

圖5 設(shè)計水頭、導(dǎo)葉開度為29°時轉(zhuǎn)輪體的等效應(yīng)力與總變形

圖6 最大水頭、導(dǎo)葉開度為29°時轉(zhuǎn)輪體的等效應(yīng)力與總變形

該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪所用材料的屈服極限為558 MPa,且根據(jù)該電站招標(biāo)文件要求知,在該工況下該轉(zhuǎn)輪的許用應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的1/3,即196 MPa。由此可知,該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在這三種工況下運(yùn)行時其最大等效應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力,說明此轉(zhuǎn)輪滿足靜強(qiáng)度要求。

通過圖7、8可知,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體最大等效應(yīng)力和最大總變形量均表現(xiàn)為：在最小水頭、額定水頭和最大水頭時,隨著流量的增加而增大,變化速率基本一致；在定流量時,隨著水輪機(jī)工作水頭的提升,其最大等效應(yīng)力與最大總變形量也以一定程度增加。由此說明,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體等效應(yīng)力和總變形隨流量和水頭的變化量大小是可以大致預(yù)測的。

圖7 不同工況下轉(zhuǎn)輪體最大等效應(yīng)力

圖8 不同工況下轉(zhuǎn)輪體最大總變形

5 結(jié) 論

采用分離式單項(xiàng)流固耦合方法,對西南某低水頭水電站混流式水輪機(jī)進(jìn)行靜力分析,得到以下結(jié)論：該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在設(shè)計工況下運(yùn)行時滿足靜強(qiáng)度要求,且水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪最大等效應(yīng)力位于葉片出水邊與上冠交界面處,最大總變形量出現(xiàn)在葉片出水邊與下環(huán)交界面最大半徑處。通過對比在最大水頭31.8 m、額定水頭30.5 m、最小水頭28.1 m三個水頭下轉(zhuǎn)輪最大總變形和最大等效應(yīng)力隨導(dǎo)葉開度的變化曲線發(fā)現(xiàn),在同水頭時,轉(zhuǎn)輪的最大等效應(yīng)力與最大總變形均隨流量的增大而增大,且變化速率基本一致；在同流量時,轉(zhuǎn)輪的最大等效應(yīng)力與最大總變形隨水頭的提升而增加,且增加速率基本相同,本研究可為低水頭段混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體靜預(yù)測提供參考依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Static Analysis of Low Head Francis Turbine Runner Blades Based on Fluid-structure Interaction

CUI Junling1,2, YU Bo1,2, LIAO Xiang1,2, LIU Yu1,2, LI Wenhao1,2

(1. School of Energy and Power Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, Sichuan, China;2. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery, Ministry of Education, Chengdu 610039, Sichuan, China)

Based on the expansion and renovation project of low head Francis turbine in a hydropower station in southwest China, the new turbine runner is numerically simulated. The static characteristic of runner blades under guide vane opening of 17°-33° and proposed head are studied by adopting the method of uniflow solid coupling. The results show that the relationship between runner maximum static stress and guide vane opening is basically identical under different operation conditions．

low head; fluid-structure coupling; static analysis; Francis turbine

2016- 09- 08

流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育項(xiàng)目(SBZDPY116);西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(YCJJ2016195)

崔軍玲(1993—)，女，山西運(yùn)城人，碩士研究生，主要從事動力系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能技術(shù)方面的研究;余波(通訊作者)．

TM312

A

0559- 9342(2017)03- 0077- 04