基于流固耦合的低水头混流式水轮机转轮叶片静力分析

2017-05-16崔军玲李文浩

水力发电 2017年3期

关键词：混流式转轮水轮机

崔军玲,余波,廖翔,刘育,李文浩

(1.西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039；2.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川成都610039)

基于流固耦合的低水头混流式水轮机转轮叶片静力分析

崔军玲1,2,余波1,2,廖翔1,2,刘育1,2,李文浩1,2

(1.西华大学能源与动力工程学院,四川成都610039；2.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室,四川成都610039)

依据西南某低水头水电站混流式水轮发电机组增效扩容改造项目,对新水轮机转轮进行数值模拟,采用单向流固耦合方法,研究转轮叶片在拟定水头下,导叶开度从17°～33°运行工况时的静力特性。结果表明在不同工况下该转轮叶片最大静应力与开度关系变化趋势基本一致。

低水头;流固耦合；静力分析；混流式水轮机

0 引言

近年来, 在水轮机转轮叶片水力特性优化过程中,利用CFD技术开发的高效的新转轮投入运行后,发生裂纹的比重偏高,一些长期在偏最优工况下运行的新转轮,叶片甚至发生断裂或折断[8]。因此,在基于CFD技术优化设计的新转轮在生产前对其进行转轮体及转轮叶片动力特性分析非常必要。

本文依据西南某低水头水电站混流式水轮发电机组增效扩容改造项目,对水轮机全流道进行CFD模拟,运用单流固耦合方法,研究转轮叶片在拟定水头下,导叶开度从17°～33°运行工况时的静力特性。

1 计算方法

1.1 流场数值计算方法

研究采用SIMPLE算法实现对速度和压力之间的耦合,应用有限体积法离散控制方程。对流项采用二阶迎风格式进行离散,扩散项采用中心差分格式。近壁区域流动通过标准壁面函数法描述,使用RNGk-ε湍流模型封闭方程组[9-11]。

1.2 强度计算的静力学有限元方程

强度计算的静力学有限元方程

Ku=Fs+Ft，σ=DBu

(1)

式中，K为整体刚度矩阵；u表示节点位移；Fs和Ft分别代表流体流动对流固交界面产生的压力以及转轮自身旋转及重力所引起的惯性力；σ为结构应力；D为结构弹性常数矩阵；B为结构应变矩阵。

1.3 单向流固耦合计算方法

单向流固耦合分析按设定顺序在同一求解器或不同求解器中分别求解流体控制方程和固体控制方程,通过流固交界面把流体域和固体域的计算结果互相交换传递,进行迭代计算。

2 计算模型

选取西南某低水头水电站混流式水轮机转轮作为研究对象,建立真实尺寸下的三维模型,部分地方做简化处理。对水轮机流场进行数值计算,得到转轮叶片水力压力数据。将该流场计算结果导入结构场,同时施加重力和离心力,实现转轮流固耦合计算分析。本研究选用分离式单流固耦合方法来进行水轮机转轮的静力分析。

该水轮机基本参数为：转轮直径1.415 mm,叶片数为15,额定水头30.5 m,额定转速300 r/min,额定出力4 223 kW,设计流量15.77 m3/s。该水轮机转轮全部(包括上冠、下环和叶片)采用了ZG06Cr16Ni5Mo(马氏体)不锈钢材料,密度为7 850 kg/m3,泊松比为0.3,弹性模量2.06 GPa,屈服强度为588 MPa。

本研究水轮机转轮三维模型采用适应性强的非结构化四面体网格,网格划分593288个,节点983378个。全流道与转轮部分水体模型以及水轮机转轮及转轮叶片网格划分后的效果如图1、2所示。

图3 转轮体的约束与载荷

图1 水体模型

图2 转轮及转轮叶片结构场模型

3 计算工况和边界条件

为掌握该水轮机转轮的应力、变形随流量的变化关系,研究选择的工况为：最大水头31.8 m、额定水头30.5 m、最小水头28.1 m 3个水头下,导叶开度从17°～33°,共21个工况点。

边界条件包括约束与载荷：本研究采用了水轮机轴与发电机轴相连接面的固定约束；载荷分为惯性载荷和表面载荷,惯性载荷包括重力加速度和转轮旋转离心力,表面载荷为作用在所有流固耦合面上的水压力。约束与载荷的施加如图3所示。

4 结果分析

通过ANSYS软件进行考虑单项流固耦合的水轮机转轮叶片静力分析,可以得到转轮各个点、各个面的应力、应变,主应力、主应变,等效应力、总变形等分布云图。采用ANSYS默认的Von-Mises屈服条件,对水轮机转轮进行静强度评价,依照畸变能密度理论(第四强度理论)验证Von-Mises等效应力与许用应力的关系。

图4、5、6给出了各特征水头下该水轮机转轮的最大等效应力和最大总变形量随流量的变化关系。

通过图4～6可以看出,该水轮机转轮在不同运行工况下,最大等效应力和最大总变形量均分别出现在叶片出水边根部近上冠处和离主轴法兰面最远的最大半径处,这与文献[16]数值计算结果一致,且这一特点也符合结构力学特性。由此可知本研究利用考虑单项流固耦合方法进行的水轮机转轮叶片静力数值计算结果是可信的。

图4 最小水头、导叶开度为29°时转轮体的等效应力与总变形

图5 设计水头、导叶开度为29°时转轮体的等效应力与总变形

图6 最大水头、导叶开度为29°时转轮体的等效应力与总变形

该水轮机转轮所用材料的屈服极限为558 MPa,且根据该电站招标文件要求知,在该工况下该转轮的许用应力为屈服强度的1/3,即196 MPa。由此可知,该水轮机转轮叶片在这三种工况下运行时其最大等效应力均小于其许用应力,说明此转轮满足静强度要求。

通过图7、8可知,水轮机转轮体最大等效应力和最大总变形量均表现为：在最小水头、额定水头和最大水头时,随着流量的增加而增大,变化速率基本一致；在定流量时,随着水轮机工作水头的提升,其最大等效应力与最大总变形量也以一定程度增加。由此说明,水轮机转轮体等效应力和总变形随流量和水头的变化量大小是可以大致预测的。

图7 不同工况下转轮体最大等效应力

图8 不同工况下转轮体最大总变形

5 结论

采用分离式单项流固耦合方法,对西南某低水头水电站混流式水轮机进行静力分析,得到以下结论：该水轮机转轮叶片在设计工况下运行时满足静强度要求,且水轮机转轮最大等效应力位于叶片出水边与上冠交界面处,最大总变形量出现在叶片出水边与下环交界面最大半径处。通过对比在最大水头31.8 m、额定水头30.5 m、最小水头28.1 m三个水头下转轮最大总变形和最大等效应力随导叶开度的变化曲线发现,在同水头时,转轮的最大等效应力与最大总变形均随流量的增大而增大,且变化速率基本一致；在同流量时,转轮的最大等效应力与最大总变形随水头的提升而增加,且增加速率基本相同,本研究可为低水头段混流式水轮机转轮体静预测提供参考依据。

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(责任编辑高瑜)

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