基于Ansys-CFX的混流式水輪機轉輪雙向流固耦合數值模擬方法

2015-07-28 07:02:45金連根張仁貢毛建生浙江同濟科技職業學院浙江杭州323浙江大學電氣工程學院浙江杭州30027

水電站機電技術 2015年6期

方　兵，金連根，張仁貢，胡　杰，單　瀾，毛建生（.浙江同濟科技職業學院，浙江杭州 323；2.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 30027）

方兵1，2，金連根1，張仁貢1，胡杰1，單瀾1，毛建生1
（1.浙江同濟科技職業學院，浙江杭州 311231；2.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027）

摘要：結合某電站水輪機主要尺寸及運行參數，使用UG軟件建立了精確的水輪機蝸殼、葉輪、尾水管三維模型，將模型導入到ansysworkbench中，借助ansys cfx分析工具實現了全流道水輪機轉輪雙向流固耦合的數值模擬，為水輪機流固耦合問題提供了一種更為合理和精確的數值模擬方法。

關鍵詞：混流式水輪機；轉輪；雙向；流固耦合；數值模擬

0　引言

混流式水輪機具有結構簡單、運行穩定、水頭適用范圍寬廣、制造技術較為成熟等優勢，在水電站機組中長期占居主導地位[1]。轉輪是水力發電設備中的重要部件，近年來，隨著水輪機比轉速值不斷提高，影響混流式水輪機的穩定運行的機組振動和轉輪葉片裂紋問題逐漸突出，國內如廣西巖灘電站、青海李家峽電站等,國外如美國大古力電站、委內瑞拉古里電站[2]等在投入運行后都出現了轉輪、葉片振動、裂紋、共振損壞等事故。轉輪在水中的旋轉是典型的流固耦合問題，隨著計算科學及數值分析方法的不斷發展，采用CFD技術研究轉輪的運行特性是轉輪可靠性設計的重要環節，近年來在水輪機設計及水電站改造中應用越來越廣泛和深入。流固耦合的求解問題有順序單向耦合和迭代雙向耦合，其中單向耦合只考慮流體對結構的影響，不考慮結構對流體的影響，計算精度相對較差。目前水力機械流固耦合問題分析以單向耦合為主，雙向流固耦合的應用較為少見，在國內僅查詢到張立翔[3]、肖若富[4]等學者進行過這方面的研究，鑒于此，在浙江省水利廳科技項目支持下，筆者對水輪機轉輪雙向流固耦合方法進行了研究。

1　三維建模及網格劃分

結合某小型水電站型號為HL360A－LJ100的混流式水輪機，使用UG三維造型軟件分別建立精確的水輪機蝸殼、葉輪、尾水管三維模型，然后將模型裝配，導出為igs文件，再將igs模型文件導入ansysworkbench軟件，利用軟件的fillby caps功能即可生成全流道流體模型，如圖1所示。轉輪模型可通過相應igs文件導入，在ansysworkbench軟件中直接生成，如下頁圖2所示。

在水輪機數值模擬中，轉輪及其所在的流體域是分析的重點。轉輪材料為合金鋼0Gr3Ni5Mo，密度7 850 kg/m3，彈性模量210MPa，泊松比0.3，轉輪直徑1 000mm，葉片數13。單元類型為四面體單元，整個水輪機流道計算域劃分的單元數為2023 207，節點數360326，轉輪體單元數為50877，節點數為93 451。

圖1　全流道流體網格模型

圖2　轉輪結構網格模型

2　轉輪雙向流固耦合流體域分析

本文使用ANSYSworkbench 14.5進行轉輪流固耦合計算。在該版本的workbench中，ansys可以和cfx進行雙向流固耦合計算，即對一個包含結構和流體計算域的模型可以分別在ansys和cfx中同時進行計算，數據進行實時交換耦合。對于從ansys傳來的網格位移，cfx中可以自動進行網格變形，無需使用動網格技術。雙向流固耦合的分析流程如圖3所示，workbench中的分析模塊組成及連接圖如圖4所示，對轉輪的分析多以穩態為主，同時穩態分析也是模態分析的基礎，故本文也選擇了穩態分析。

圖3　雙向流固耦合分析流程圖

圖4　轉輪雙向流固耦合模塊及連接

2.1水輪機流固耦合計算參數

由水能出力公式[1可知，水輪機基本參數包括：工作水頭、流量（m3/s）、輸出>功率、水力效率，另外還有工作力矩（N·m）、機組轉速。由于通過活動導葉調節流量從而實現對機組輸出功率的調節不是本文的研究重點，故省略了對活動導葉的建模。通過調研獲取的電站基本參數為：額定水頭320m，額定功率5.21MW，額定轉速1000r/min，設計效率90%，最終將計算參數確定為

2.2轉輪結構域設置

轉輪由上冠、下環和葉片組成，其作用是將水能轉換為轉輪旋轉動能，帶動發電機發電，屬于水輪機組中的最為核心的過流部件，造成機組運行不穩定的機械和水力兩大主要因素都可能通過轉輪反應出來，因此對轉輪的流固耦合分析是整個分析的重點。雖然在三維建模的時候也對蝸殼和尾水管進行了建模，但目的僅僅是為了形成完整的流道。

根據轉輪在運行時的受力特點，在轉輪上冠與發電機主軸連接處施加沿著轉輪軸向的位移約束（0mm）以及繞著軸向的力矩約束（55278 N·m），力矩方向與轉輪旋轉方向相反，轉輪繞主軸的轉速約束為（1 000 r/min），最后將上冠下側、葉片、下環內側設置為雙向流固耦合接觸面。如圖5所示。

圖5　轉輪約束施加

2.3流體域設置

流體域由蝸殼、轉輪、尾水管包圍的整個流道構成，由于推動轉輪轉動的部分水體具有明顯的旋轉周期特性，因此以轉輪流體域為界將整個流體域分為三個部分，依次為蝸殼流體域、轉輪流體域、尾水管流體域，如圖6～8所示。

圖6　蝸殼流體域及流場壓力入口

圖7　轉輪流體域及域交界面

圖8　尾水管流體域及開放式出口邊界

在蝸殼流體域上根據電站水頭在蝸殼進口處設置入口壓力邊界條件由于尾水管的作用除了使流過水輪機的水通過尾水管流向下游以外，還可以使轉輪出口的水流能量有所降低，以增加轉輪前后的能量差，回收部分水能，因此，在尾水管擴散段的尾部出口設置為開放式邊界，壓力為一個標準大氣壓。在轉輪流體域上同樣需要設置水體轉速（1 000 r/min），另外，由于蝸殼、尾水管所在的兩個流體計算域均采用靜止坐標系，轉輪域采用旋轉坐標系，要將整個計算域連接起來，需要設置轉輪域的接觸邊界。無論從蝸殼流入轉輪，還是從轉輪流入尾水管，水的流入速度均大于流出速度，符合冰凍轉子交界面的使用特點，同時，該交界面適合穩態模擬并具有占用資源少的優點，因此兩個交界面的類型均為冰凍轉子。最后，三個流體域的計算模型均為-ε模型。

2.4計算結果

從上圖4可以看出，結構分析模塊沒有Results單元，這是因為在雙向流固耦合分析的計算過程中通過流體域和結構域的數據交換，最終將結構分析結果和流體分析結果都保存在流體模塊的Results中。

圖9～13顯示了計算完成后得到的流體域上與轉輪接觸部分流體上的絕對壓力、靜態坐標系中的速度分布和結構域轉輪上的正應力、彈性應變和總位移分布，其他計算參數可通過相應的后處理進一步查看。