基于ANSYS的水轮机转轮流固耦合分析

为了得到水体作用下的混流式水轮机转轮的应力分布规律和变形特征,应用ANSYS有限元分析软件,采用流固耦合分析方法对某混流式水轮机转轮进行了分析。通过建立全流道分析模型,得到了转轮叶片上准确的水压力分布。将流场计算结果应用到结构场中,对转轮不同工况下的刚、强度进行了计算,得到了转轮精确的结构应力和变形。计算结果表明,该转轮在水体作用下最大应力值小于材料许用应力,能够满足强度设计要求;变形量小于设计预留间隙值,保证了转轮在运行时不会与止漏环内表面刮擦,从而引起止漏环脱落;转轮部件的应力数据对准确评估转轮使用寿命具有一定的实际意义。     

水轮机载荷的新编谱法

水轮机承受的是随机载荷,因此载荷谱就成为设计水轮机的重要依据。目前我国许多单位想运用二维流动或三维流动的理论来研究转轮叶片上的压力谱,从压力谱得到应力谱,但至今尚未提出一个工程上可以接受的载荷谱。本文从发电厂实测中得出,转轮叶片应力随水轮机组出力的增加而增大,在同一水头下,最大主应力的平均应力与水轮机组出力成线性关系。另外从典型水电站机组出力的调查统计分析又发现,混流式水轮机的出力属于韦布尔分布函数。因此,从机组出力分布,计算出叶片应力分布,最后得到水轮机的载荷谱,这是一条既经济而有效的新编谱途径。     

焊接顺序对混流式水轮机转轮焊接应力的影响

在解决叶片与上冠或下环之间的热传导问题以及焊接热源沿任意空间路径移动的加载问题的基础上,对混流式水轮机转轮焊接过程的温度场与应力场进行了数值模拟。结果表明,叶片焊后残余拉应力场出现在焊缝及其附近区域,并且应力峰值出现在焊缝区域的叶片出水边处。同时,不同焊接顺序的转轮残余拉应力峰值的对比表明,焊缝两侧金属在焊接过程中填充的越均匀,残余拉应力的峰值越小。     

混流式转轮刚强度分析及改善措施研究

针对某电站水轮机增容改造后转轮应力水平过高的问题,提出了延长叶片近上冠部分的出口边和添加补强三角块两种解决方案。采用CFD方法对水轮机全流道进行定常流动分析,将所得水压力加载到转轮的有限元模型上进行刚强度分析,获得了两个方案下的转轮最大等效应力值和最大变形量。计算结果表明:原转轮最大应力值出现在额定工况,这是因为叶片中部和出口靠上冠两个区域的正背面压差较大,载荷分布不均匀;额定工况下,两种方案可相同程度地将叶片最大应力值减小14.5%,其中方案A由于叶片出口边跨度增加,叶片最大总变形量要大于方案B;方案B的最大应力值位于三角块斜边与叶片出口边相交的位置,离叶片根部较远,有效地改善了叶片根部的受力;同时,流场分析结果表明:两种改型方案对于各工况下的水轮机能量特性和空化性能影响较小。     

混流式水轮机的非定常流动分析

通过混流式水轮机定常和非定常流动计算,研究混流式水轮机在不同开度下的流动特点,阐述非定常流动分析结果。非定常流动计算结果表明:开度a12时,转轮出口靠近上冠处压力脉动不显著,中间流线和下环处脉动较为强烈;尾水管中涡带主要集中于直锥段,呈螺旋型,在肘管处逐渐变小消失。尾水管内部压力脉动主要集中在直锥段和肘管,频率为低频,是转频的0.233倍;其中直锥段脉动幅值较大,内外两侧压力脉动频率基本一致。开度a24时,转轮出口靠近上冠处没有回流,脉动小,中间流线和下环处压力脉动更为剧烈,脉动频率为转轮频率与叶片数乘积的倍数;尾水管涡带在直锥段水流形成的呈柱状涡,在肘管变成较小的螺旋型涡带,其结果是长的涡带在尾部形成像钻机式的切削作用,对水轮机效率和稳定性产生严重的影响,涡带的长度为研究混流式水轮机尾水管深度和优化设计提供理论依据。     

冷却塔专用水轮机的数值模拟与性能研究

以冷却塔内额定流量为0.833 m³/s的双级贯流式水轮机为研究对象,基于ANSYS-Workbench操作平台对其进行单向流固耦合分析。采用三维建模软件UG,建立水轮机模型。使用商业CFD软件Fluent,对全流道模型进行三维定常湍流数值模拟,分析了内部流场及各部件的水力损失,得到了转轮叶片上准确的水压力分布。将流场计算结果应用到结构场中,使用有限元分析软件ANSYS,对转轮设计工况下的刚强度进行了计算,得到了转轮的静应力分布和变形情况。     

水轮机混流模型转轮叶片与下环连接方法工艺技术研究

水轮机模型转轮叶片下环靠出水边较薄(小于2 m m),在该部位增加工艺块,开展相应连接方式研究,对今后类似结构模型转轮加工具有重要参考价值。     

灯泡贯流式水轮机转轮内流场的研究

基于环形叶栅理论建立转轮叶片三维模型。采用FLUENT软件对转轮叶片进行了三维定常湍流计算,数值模拟了转轮内部三维湍流流场,得到了叶片表面压力云图、速度矢量图和叶片进出口边附近压力分布图,并估算出水轮机水力效率。结果表明采用环形叶栅理论建立的贯流式水轮机叶片具有可行性。     

灯泡贯流式水轮机转轮内流场的研究

基于环形叶栅理论建立转轮叶片三维模型。采用FLUENT软件对转轮叶片进行了三维定常湍流计算。数值模拟了转轮内部三维湍流流场,得到了叶片表面压力云图、速度矢量图和叶片进出口边附近压力分布图,并估算出水轮机水力效率。结果表明采用环形叶栅理论建立的贯流式水轮机叶片具有可行性。     

基于CFX数值模拟的水轮机转轮叶片优化设计

介绍了水轮机转轮的优化方案,基于ANSYS-CFX11.0仿真软件对混流式水轮机转轮叶片的三维流动及能量分布进行了数值计算、模拟仿真,重点对削薄后的转轮叶片进行了数值模拟和分析。     

INFLUENCE OF BLADES'''' STRESS STATE ON FRANCIS TURBINE RUNNER''''S INVALIDATION

Numerical simulation on Francis turbine runner's welding temperature field and welding tress field is carried out on the base of solving the problem of welding heat source's movement along any spatial routes and the problem of heat elimination between the complicated blade and air. The evolvement law of welding stress and the distribution of the stress field after welding are obtained. The results indicate that the peak value of the welding residual stress appears on the outlet edge of blade near the contact area between blade and band or blade and crown. Associated with the distribution of the runner's working stress, the invalidation reason of the Francis turbine runner is explained.     

混流式水轮机转轮简化模型焊接过程的数值模拟

在确定混流式水轮机转轮简化模型、解决分段焊焊接热源加载的问题及解决各独立实体间接触边界节点不重合的热传导问题的基础上,对转轮模型焊接过程的温度场与应力场进行了数值模拟。得到了焊接过程中各起弧点的热循环曲线、纵向应力的演变规律与焊后应力场的分布情况。结果表明:焊后应力的峰值出现在叶片与上冠或叶片与下环接触面附近的叶片上。这个结果可以较好地解释水轮机转轮叶片疲劳裂纹的产生和扩展的失效行为。     

大功率风力机叶片模态及气动特性分析

对大功率海上风力机叶片模态特性和气动特性进行研究。建立了叶片翼型截面弯扭耦合运动微分方程,通过翼型截面坐标变换和旋转拉伸在UG中建立了国产某型6MW风力机叶片三维模型,运用Ansys/Blocklanczos法计算了叶片前6阶固有模态。在Ansys/Workbench中搭建叶片流场仿真模型,讨论了风速和气动攻角等参数对叶片振动变形的影响。结果表明各阶固有模态中叶尖部位的振型相对明显,随着风速和攻角增大,相同截面位置上的叶片振动变形逐渐增大。     

大型混流式水轮机转轮叶片结构动力特性分析

转轮是水轮机结构中重要部件之一。比较不同单元类型对转轮叶片振动计算精度的影响，从推导的转轮叶片液固耦合运动方程出发，分别计算混流式水轮机转轮叶片在空气中和在工作流道中振动的主频与主振型。结果表明，叶片在水中的频率较空气中的频率有所降低，而且不同阶的频率降低值不同。     

On the hydraulic axial thrust of Francis hydro-turbine

We present a new method for the computation of hydraulic axial thrust of Francis hydro-turbine. This approach combines the computation of axial thrust on the crown, band and blade by using the numerical simulation and calculation of the pressure distribution outside the crown and band based on the theory of fluid mechanics. The axial thrusts are calculated for different flow conditions with various suction head and flow rate. The calculated results are consistent with that of experimental test on the prototype hydro-turbine, and this combination is proven to be an effective way to assess the magnitude of hydraulic axial thrust for hydro-turbine. Also, the suction head of the turbine is shown to have significant influence on the hydraulic axial thrust.     

水轮机模式液力透平叶片进口安放角影响分析

针对转轮叶片进口安放角β1对超低比转速水轮机模式液力透平性能影响规律认识不足的问题,在超低比转速范围内,考虑液力透平水力性能,取不同β1建立超低比转速混流式转轮三维模型,配合过流部件构建超低比转速水轮机模式二级液力透平模型,采用ANSYS FLUENT仿真软件对液力透平内部流动特性和能量特性进行计算,对比数值模拟结果,探求β1对超低比转速水轮机模式液力透平性能影响规律。研究表明,超低比转速水轮机模式液力透平的扬程和效率与β1有密切关系,当β1增大时,扬程增高,效率降低;随着β1增大,转轮叶片弯曲程度增大,导致叶片高压区面积增大、转轮内部流体流态变差。     

大型轴流风机叶片的气动弹性数值分析研究

在叶轮机械的流固耦合中以弹性体流固耦合问题最具难度。在这类问题中,需要考虑叶片在运转过程中的弹性变形与振动对流场的影响以及振荡流场的反作用。以北京地铁18号专用轴流风机为例,在考虑叶片变形和流场之间相互影响的耦合状态下,探讨机叶片气固耦合问题的计算方法。采用CFX软件进行流场计算、ANSYS软件进行结构计算,以MFX- ANSYS/CFX为数据耦合平台,应用弱耦合分区法对风机叶片的气动弹性进行数值模拟分析。并与不考虑叶片弹性变形的情况进行对比,发现考虑气动弹性的最大应力几乎是不考虑气动弹性的最大应力的两倍,相应的安全系数相差较大,不考虑叶片的气动弹性容易高估叶片结构的安全性。分析考虑弹性变形对叶片结构安全性的影响,说明叶片的气动弹性分析的必要性和重要性。     

VIBRATION ANALYSIS OF TURBINE BASED ON FLUID-STRUCTURE COUPLING

The vibration of a Francis turbine is analyzed with the additional quality matrix method based on fluid-structure coupling （FSC）. Firstly, the vibration frequency and mode of blade and runner in air and water are calculated. Secondly, the influences to runner frequency domain by large flow, small flow and design flow working conditions are compared. Finally the influences to runner modes by centrifugal forces under three rotating speeds of 400 r/rain, 500 r/min and 600 r/rain are compared. The centrifugal force and small flow working condition have greatly influence on the vibration of small runner. With the increase of centrifugal force, the vibration frequency of the runner is sharply increased. Some order frequencies are even close to the runner natural frequency in the air. Because the low frequency vibration will severely damage the stability of the turbine, low frequency vibration of units should be avoided as soon as possible.     

轴流涡轮平面叶栅出口二维速度场的实验研究

将粒子图像测速仪(PIV)和热线风速仪(HWA)应用到低速轴流平面叶栅实验台上.在2个不同进口流量和3个不同叶片高度下,利用热线风速仪测量平面叶栅出口瞬态速度场,并采用激光粒子图像测速仪测量圆柱尾迹和出口速度场的整场信息.研究发现较大的进口速度或较低的叶片高度情况下,叶栅出口二次流流动强烈;同时发现尾迹的存在会破坏均匀流场,导致叶型流动损失的增加.