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混流式水轮机转轮动力特性分析及综合优化设计

作　者: 王少波
导　师: 刘元杰；梁醒培；赵明皞；曹剑绵
学　校: 机械科学研究院
专　业: 机械设计及理论
关键词: 混流式水轮机转轮叶片动力特性分析流固耦合综合优化
分类号: TK733.1
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

水轮机组的稳定与效率、气蚀一起成为机组的三大主要考核指标。随着水轮机组朝着大尺寸、大容量的方向发展，其自身的固有频率也随之降低，与干扰激振力的频率属于同一数量级，因此，水轮机组运行的稳定性就变成更为重要的问题。水轮机转轮设计的优劣直接影响或决定三大技术指标，而目前我国在水轮机转轮设计方面与国外先进水平仍存在一定差距。水轮机转轮动力特性分析和综合优化设计是水轮机设计中的一项十分有意义又有相当难度的研究课题。本文对此进行了有益的研究与探索，取得以下主要成果： 1)从水流和转轮的耦合作用出发，比较系统、全面分析了多种工况下转轮的动力特性，包括分别计算转轮及叶片在空气中和水中的固有频率和主振型，计算了转轮结构在运行状态下旋转离心力和流道水压力对转轮动力特性的影响，分析了转轮在运行工况下发生共振的可能性。通过计算结果与有关试验结果的比较和分析，为设计提供参考指导。 2)在计算流体动力学(CFD)的基础上，发展了一种流固耦合计算模式(FSI)，流体为粘性介质，采用ALE格式处理流体和结构之间的移动界面，流体域和固体域分别独立计算，程序控制传递流体压力及固体位移和速度作为对方的边界条件，实现耦合计算。在ANSYS5.6的基础上，应用其参数化设计语言APDL编制程序，控制流体计算和结构计算，实现耦合系统的求解。通过3个算例证明了所提出的计算方法及程序的有效性，并对转轮在不同工况下动水压力产生的动应力进行了计算分析。 3)对某水轮机进行了现场测试和计算，综合研究分析，得到该水轮机的剧烈振动、噪音及叶片开裂的原因，并提出解决问题的指导意见。 4)在转轮结构动力分析的基础上，结合转轮的水力设计，首次将遗传算法用于转轮的综合优化设计，研制了水轮机转轮的水效率和动力特性综合优化设计软件。以上研究构成了转轮动力特性分析的一套完整的程序和方法，同时各部分又可独立运行，可分别进行转轮液固祸合振动、过渡过程动态特性的计算以及转轮的综合优化设计。有关研究成果已在东方电机股份有限公司得到应用，并得到好评。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章绪论  11-24
  1.1 混流式水轮机的发展现状  11-12
  1.2 研究水轮机转轮动力特性及其综合优化设计的目的和意义  12-15
  1.3 叶片裂纹问题综述  15-17
  1.4 水轮机转轮动力特性研究及其综合优化设计的特点  17-18
  1.5 国内外研究状况  18-20
  1.6 本课题的主要工作  20-22
  附录1.1 国外一些水轮机组的振动事故  22-24
第二章转轮结构的动力特性分析  24-42
  2.1 基本原理  24-26
    2.1.1 弹性结构的自由振动原理及其自振特性  24
    2.1.2 流-固耦合振动的控制方程  24-26
  2.2 叶片结构的动力特性分析  26-29
  2.3 转轮的动力特性分析  29-31
  2.4 转轮在稳定工况运行时共振的可能性  31-34
    2.4.1 激振力频率的计算  31-33
    2.4.2 转轮及叶片在水中的固有频率  33
    2.4.3 转轮及叶片的固有频率和几种干扰力频率的比较  33-34
  2.5 小结  34-35
  附录2.1 叶片及转轮的前10阶振型  35-42
第三章结构物在粘性流体中的耦合振动分析  42-54
  3.1 引言  42
  3.2 流体-弹性结构系统的控制方程  42-44
    3.2.1 任意Lagrangian-Eulerian描述介绍  42-44
    3.2.2 ALE描述的流体方程  44
    3.2.3 弹性结构的有限元方程  44
  3.3 流固耦合理论(FSI)  44-47
    3.3.1 运动及动力条件  44-45
    3.3.2 FSI系统的结构  45-46
    3.3.3 APDL介绍  46-47
  3.4 算例  47-52
    3.4.1 弹性薄板在上下不平衡来流中的变形  47-48
    3.4.2 流体方腔中弹性板的自由振动  48-50
      3.4.2.1 问题描述  48-49
      3.4.2.2 计算结果  49-50
    3.4.3 弹性板在来流中失稳的临界流速  50-52
  3.5 小结  52-54
第四章转轮在运行状况下的动力特性分析  54-62
  4.1 引言  54
  4.2 旋转离心力及静水压力对转轮动力特性的影响  54-58
    4.2.1 应力硬化  54-56
    4.2.2 旋转离心力对转轮动力特性的影响  56-57
    4.2.3 静水压力对叶片动力特性的影响  57-58
  4.3 导叶后的流速不均在叶片中所形成的动应力  58-61
    4.3.1 引言  58-59
    4.3.2 边界条件  59-60
    4.3.3 计算结果  60-61
  4.4 小结  61-62
第五章引起水轮机转轮振动的外激振力分析  62-77
  5.1 引言  62
  5.2 转轮和导叶之间叶栅的干扰  62-67
    5.2.1 形成机理  62-65
    5.2.2 影响因素  65-67
  5.3 卡门涡列  67-69
    5.3.1 叶片出水边卡门涡列的形成  67
    5.3.2 卡门涡列的频率  67-68
    5.3.3 减小卡门涡列所引起振动的措施  68-69
  5.4 尾水涡带  69-76
    5.4.1 尾水涡带的初步认识  69-70
    5.4.2 在部分负荷区尾水涡带产生的振动  70-72
    5.4.3 在高负荷区尾水管涡带产生的振动  72-74
    5.4.4 消除水压脉动的措施  74-76
  5.5 小结  76-77
第六章现场试验  77-99
  6.1 前言  77
  6.2 机组水轮机相关参数  77
  6.3 测试仪器及系统构成  77-78
    6.3.1 振动、噪声测试系统  77
    6.3.2 固有频率、模态分析测试系统  77-78
  6.4 测点布置  78
  6.5 试验工况与试验内容  78-79
    6.5.1 试验工况  78-79
    6.5.2 试验内容  79
  6.6 试验结果与分析  79-82
    6.6.1 振动、噪声测试结果  79-80
    6.6.2 固有频率测试结果  80-82
      6.6.2.1 固定导叶的固有频率  80
      6.6.2.2 活动导叶  80
      6.6.2.3 转轮叶片  80-82
  6.7 叶片动力特性的计算  82-85
  6.8 计算结果与试验结果的对比分析  85-86
  6.9 小结  86-87
  附录6.1 叶片在水介质下振型图  87-98
  附录6.2 振动、噪声测试结果  98-99
第七章转轮的综合优化设计  99-109
  7.1 引言  99-100
  7.2 转轮综合优化设计方法的特点  100-101
  7.3 转轮综合优化设计的实现  101-106
    7.3.1 几何体参数化  101
    7.3.2 N-S方程及三维紊流场的数值模拟  101-102
    7.3.3 目标函数  102-103
    7.3.4 约束条件  103-105
    7.3.5 遗传算法  105-106
    7.3.6 优化过程  106
  7.4 在电站改造中的应用  106-108
  7.5 小结  108-109
第八章结论和展望  109-112
  8.1 总结  109-110
  8.2 展望  110-112
参考文献  112-119
致谢  119-120

混流式水轮机转轮动力特性分析及综合优化设计

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