基于流固耦合的低水頭混流式水輪機轉輪葉片靜力分析

崔軍玲,余 波,廖 翔,劉 育,李文浩

(1.西華大學能源與動力工程學院,四川成都610039；2.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室,四川成都610039)

基于流固耦合的低水頭混流式水輪機轉輪葉片靜力分析

崔軍玲1,2,余 波1,2,廖 翔1,2,劉 育1,2,李文浩1,2

(1.西華大學能源與動力工程學院,四川成都610039；2.西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室,四川成都610039)

依據西南某低水頭水電站混流式水輪發電機組增效擴容改造項目,對新水輪機轉輪進行數值模擬,采用單向流固耦合方法,研究轉輪葉片在擬定水頭下,導葉開度從17°～33°運行工況時的靜力特性。結果表明在不同工況下該轉輪葉片最大靜應力與開度關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

0 引 言

近年來, 在水輪機轉輪葉片水力特性優化過程中,利用CFD技術開發的高效的新轉輪投入運行后,發生裂紋的比重偏高,一些長期在偏最優工況下運行的新轉輪,葉片甚至發生斷裂或折斷[8]。因此,在基于CFD技術優化設計的新轉輪在生產前對其進行轉輪體及轉輪葉片動力特性分析非常必要。

本文依據西南某低水頭水電站混流式水輪發電機組增效擴容改造項目,對水輪機全流道進行CFD模擬,運用單流固耦合方法,研究轉輪葉片在擬定水頭下,導葉開度從17°～33°運行工況時的靜力特性。

1 計算方法

1.1 流場數值計算方法

研究采用SIMPLE算法實現對速度和壓力之間的耦合,應用有限體積法離散控制方程。對流項采用二階迎風格式進行離散,擴散項采用中心差分格式。近壁區域流動通過標準壁面函數法描述,使用RNGk-ε湍流模型封閉方程組[9-11]。

1.2 強度計算的靜力學有限元方程

強度計算的靜力學有限元方程

Ku=Fs+Ft，σ=DBu

(1)

式中，K為整體剛度矩陣；u表示節點位移；Fs和Ft分別代表流體流動對流固交界面產生的壓力以及轉輪自身旋轉及重力所引起的慣性力；σ為結構應力；D為結構彈性常數矩陣；B為結構應變矩陣。

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果互相交換傳遞,進行迭代計算。

2 計算模型

選取西南某低水頭水電站混流式水輪機轉輪作為研究對象,建立真實尺寸下的三維模型,部分地方做簡化處理。對水輪機流場進行數值計算,得到轉輪葉片水力壓力數據。將該流場計算結果導入結構場,同時施加重力和離心力,實現轉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行水輪機轉輪的靜力分析。

該水輪機基本參數為：轉輪直徑1.415 mm,葉片數為15,額定水頭30.5 m,額定轉速300 r/min,額定出力4 223 kW,設計流量15.77 m3/s。該水輪機轉輪全部(包括上冠、下環和葉片)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,屈服強度為588 MPa。

本研究水輪機轉輪三維模型采用適應性強的非結構化四面體網格,網格劃分593288個,節點983378個。全流道與轉輪部分水體模型以及水輪機轉輪及轉輪葉片網格劃分后的效果如圖1、2所示。

圖3 轉輪體的約束與載荷

圖1 水體模型

圖2 轉輪及轉輪葉片結構場模型

3 計算工況和邊界條件

為掌握該水輪機轉輪的應力、變形隨流量的變化關系,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,導葉開度從17°～33°,共21個工況點。

邊界條件包括約束與載荷：本研究采用了水輪機軸與發電機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輪旋轉離心力,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 結果分析

通過ANSYS軟件進行考慮單項流固耦合的水輪機轉輪葉片靜力分析,可以得到轉輪各個點、各個面的應力、應變,主應力、主應變,等效應力、總變形等分布云圖。采用ANSYS默認的Von-Mises屈服條件,對水輪機轉輪進行靜強度評價,依照畸變能密度理論(第四強度理論)驗證Von-Mises等效應力與許用應力的關系。

圖4、5、6給出了各特征水頭下該水輪機轉輪的最大等效應力和最大總變形量隨流量的變化關系。

通過圖4～6可以看出,該水輪機轉輪在不同運行工況下,最大等效應力和最大總變形量均分別出現在葉片出水邊根部近上冠處和離主軸法蘭面最遠的最大半徑處,這與文獻[16]數值計算結果一致,且這一特點也符合結構力學特性。由此可知本研究利用考慮單項流固耦合方法進行的水輪機轉輪葉片靜力數值計算結果是可信的。

圖4 最小水頭、導葉開度為29°時轉輪體的等效應力與總變形

圖5 設計水頭、導葉開度為29°時轉輪體的等效應力與總變形

圖6 最大水頭、導葉開度為29°時轉輪體的等效應力與總變形

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

通過圖7、8可知,水輪機轉輪體最大等效應力和最大總變形量均表現為：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,隨著水輪機工作水頭的提升,其最大等效應力與最大總變形量也以一定程度增加。由此說明,水輪機轉輪體等效應力和總變形隨流量和水頭的變化量大小是可以大致預測的。

圖7 不同工況下轉輪體最大等效應力

圖8 不同工況下轉輪體最大總變形

5 結 論

采用分離式單項流固耦合方法,對西南某低水頭水電站混流式水輪機進行靜力分析,得到以下結論：該水輪機轉輪葉片在設計工況下運行時滿足靜強度要求,且水輪機轉輪最大等效應力位于葉片出水邊與上冠交界面處,最大總變形量出現在葉片出水邊與下環交界面最大半徑處。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三個水頭下轉輪最大總變形和最大等效應力隨導葉開度的變化曲線發現,在同水頭時,轉輪的最大等效應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,轉輪的最大等效應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轉輪體靜預測提供參考依據。

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(責任編輯 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

流體及動力機械教育部重點實驗室培育項目(SBZDPY116);西華大學研究生創新基金項目(YCJJ2016195)

崔軍玲(1993—)，女，山西運城人，碩士研究生，主要從事動力系統優化及節能技術方面的研究;余波(通訊作者)．

TM312

A

0559- 9342(2017)03- 0077- 04