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近年來，國內(nèi)外一系列水力機(jī)組頻繁發(fā)生振動和轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。隨著流固耦合技術(shù)的飛速發(fā)展，很多學(xué)者對水力機(jī)械進(jìn)行了基于流固耦合的應(yīng)力特性研究。肖若富等對混流式水輪機(jī)全流道流場進(jìn)行了CFD計算，采用順序流固耦合方法得到了轉(zhuǎn)輪最大靜應(yīng)力與水輪機(jī)功率的線性關(guān)系。張新口等運(yùn)用單向流固耦合的方法對軸流泵葉輪強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。利用單向流固耦合方法計算旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)力和變形的有效性和準(zhǔn)確性已獲得了工程界的認(rèn)可，本文借助計算流體動力學(xué)軟件CFX和ansys workbench平臺，對我國東北某大型混流式水輪機(jī)全流道設(shè)計水頭下不同工況進(jìn)行了CFD計算。基于單向流固耦合方法計算得到不同工況下轉(zhuǎn)輪最大靜應(yīng)力和變形量，從而實(shí)現(xiàn)對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度的校核與預(yù)測，可對混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和裂紋原因分析提供參考。
本文以我國東北某大型混流式水輪機(jī)為研究對象，建立了從蝸殼進(jìn)口至尾水管出口的全流道計算模型。流體和實(shí)體部分均采用UG建模。流體機(jī)械內(nèi)部水流運(yùn)動可以采用連續(xù)性方程和雷諾時均N-S方程聯(lián)立來描述，連續(xù)性方程：質(zhì)量力；P為壓強(qiáng)拼為湍動粘度。一般認(rèn)為水流是不可壓縮流體，不考慮能量守恒方程。通過雷諾時均N-S方程描述湍流運(yùn)動時，需要引人湍流模型來封閉方程組，本文采用能夠準(zhǔn)確模擬近壁面區(qū)域。模型進(jìn)行計算域流動特性的模擬。采用有限體積法對控制方程組進(jìn)行離散，擴(kuò)散項(xiàng)和壓力梯度采用有限元函數(shù)表示，對流項(xiàng)采用高階求解格式。采用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法對流場進(jìn)行求解，將動量方程和連續(xù)性方程耦合求解，流體域包括蝸殼段、座環(huán)段、轉(zhuǎn)輪段和尾水管段，結(jié)構(gòu)域只考慮轉(zhuǎn)輪。
混流式水輪機(jī)全流道過流部件多，幾何形狀復(fù)雜，運(yùn)用ICEM對流體區(qū)域進(jìn)行幾何適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，分別對蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、尾水管進(jìn)行了網(wǎng)格劃分及局部加密，部分流體計算區(qū)域網(wǎng)格如圖所示，整個水輪機(jī)流體計算域網(wǎng)格單元總數(shù)為319.6萬，蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、尾水管網(wǎng)格單元數(shù)分別為30.6萬，97.8萬，167.4萬，23.8萬。在CFX軟件平臺上完成數(shù)值模擬工作，邊界條件為：流場進(jìn)口處設(shè)置給定總壓邊界條件，出口處設(shè)置白由出流邊界條件，固壁上采用絕熱、無滑移邊界條件，轉(zhuǎn)輪流體域與轉(zhuǎn)輪實(shí)體相接部分定義為流固耦合邊界，采用Frozen rotor處理轉(zhuǎn)輪與座環(huán)、尾水管之間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與靜止坐標(biāo)系流動參數(shù)的轉(zhuǎn)換。計算得到三種工況下葉片表面水壓力的分布作為轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度有限元計算的流固耦合表面荷載邊界條件。以設(shè)計工況為例，葉片表面靜壓分布。
轉(zhuǎn)輪的材料為ZG20SiMn，密度為7860kg/m3，楊氏模量為211GPa，泊松比0.29，屈服強(qiáng)度295MPa。轉(zhuǎn)輪尺寸的單元網(wǎng)格設(shè)為80mm，采用白由劃分的方法對轉(zhuǎn)輪劃分網(wǎng)格，由于應(yīng)力集中常發(fā)生在葉片根部區(qū)域，為了保證計算精度，對這一敏感區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生1743812個單元和2550548個節(jié)點(diǎn)，如下頁圖所示。模型邊界條件包括結(jié)構(gòu)載荷和約束，兩種結(jié)構(gòu)載荷有：①慣性載荷，包括重力加速度和轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；②表面載荷，即由前文流場計算獲得的作用在所有流固耦合面上的水壓力。為了防止產(chǎn)生剛體位移，轉(zhuǎn)輪約束條件設(shè)置為在轉(zhuǎn)輪與主軸把合螺栓處，約束相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的白由度。整個轉(zhuǎn)輪荷載和約束的設(shè)置如下頁圖所示。對轉(zhuǎn)輪在3個工況點(diǎn)下進(jìn)行有限元求解，得到各個工況下轉(zhuǎn)輪的靜應(yīng)力及位移分布云圖。
由于各工況下轉(zhuǎn)輪的靜應(yīng)力及總變形分布規(guī)律相似，只是數(shù)值上有所區(qū)別，因此只給出轉(zhuǎn)輪在設(shè)計工況下的靜應(yīng)力和變形分布。設(shè)計工況下轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力分布如圖所示。水流流態(tài)順暢，葉片壓力面與吸力面壓差較大，葉片表面靜壓梯度明顯，應(yīng)力分布趨于均勻，此時應(yīng)力集中與應(yīng)力最大值出現(xiàn)在葉片出水邊靠近上冠處。這是因?yàn)榧s束條件設(shè)置為在轉(zhuǎn)輪與主軸把合螺栓處，在加載了葉片表面水壓力載荷的情況下，葉片靠近固定約束處的彎矩和剪力較大，無法通過彎曲和變形釋放應(yīng)力，同時葉片出水邊厚度較薄，剛度和強(qiáng)度不足，所以造成了此處的應(yīng)力集中與應(yīng)力最大值，并易產(chǎn)生疲勞破壞。
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