基于CFD的HLA835g转轮裂纹动应力分析

摘要： HLA835g水轮机增容改造运行投运后，连续4年均出现较严重裂纹。为分析裂纹成因，采用CFD技术进行分析，替代动应力实测;进行数值计算分析，分析叶片产生裂纹疲劳原因，提出改进意见。

关键词：叶片裂纹;CFD分析，动应力数值求解;控制措施

0概况

枫树坝电站位于广东省龙川县境内东江上游干流，它是以防洪、供水、灌溉为主兼顾发电航运的综合枢纽工程。流域面积5150km2。二号水轮机型号为HLA83g-LJ-419，由哈尔滨电机厂有限公司生产，转轮叶片材料为ZG00Cr13Ni4Mo，13个叶片。机组额定转速136.4r/min，设计额定水头为61m，水轮机额定出力88Mw;，最大出力为102Mw，采用尾水管十字架和大轴中心自然补气方式，于2009年5月11日改造后投产。

水轮机运行18个月后的2010年检查性大修，发现转轮6个叶片出现贯穿性裂纹，至2015年底，先后发生严重程度不等的贯穿性裂纹损害，通过裂纹发生部位、裂纹性状、力学特征等分析，转轮叶片为疲劳性裂纹。分析裂纹的成因，其构成因子较为复杂，其中主要原因为叶片裂纹发生部位在周期性为主的低频交变动应力作用下，在残余应力助推下，在叶片结构强度最薄弱处首先产生微裂纹，然后扩展形成穿透裂纹。间接原因为叶片进出水邊设计制造的强度不足，焊接存在残余应力，水轮机不利运行工况等;因此对作用于叶片部位的动应力进行CFD计算数值分析计算，得出各工况下的动应力数值;再与设计许用应力值比较，便可获得裂纹产生力学原因，继而采取相应的控制措施消除裂纹损害。

1 动应力研究的选取方法

水轮机转轮动应力研究主要有理论研究、真机测量、数值模拟仿真;真机运行中水轮机转轮是在周期旋转运动的，静应力分析不能分析整个动态的过程，也不能准确的计算出转轮在实际运行中应力情况，所以必须进行转轮的动应力数值计算或测量。传统叶片的动应力数值获得方法有应力实测，但在真机实测时较为复杂，需将应力片固定于叶片的适当位置，采用有线或无线传送，在各工况运行时进行采集，工程上实现较为困难;而采用成熟的CFD分析预测技术，即根据定常和非定常流动分析结果，本项目采用对该水轮机按水头、出力、流量组合的12个典型工况进行了动应力分析。

1.1计算模型如下：

1.2叶片相关材料及约束

2#转轮叶片为研究对象，进行叶片模态分析。该转轮的主要参数如下：

为了使所建叶片模型能与结构的安装、固定以及在各种工况下的受力情况相符，需要对叶片的边界进行处理。在求解过程中处理叶片位移约束时，因为其两个端面与上冠和下环是通过焊接连接的，所以采用全约束作用在两个端面上，即ux = uy=uz，力的约束主要有重力约束，叶片弹性模量E为 210GPa，泊松比μ 为 0.3。

1.3动水压力载荷的施加

叶片表面压力随时间发生变化，动水压力载荷按照以下步骤进行：

（l） 根据非定常流动分析的结果，取出各时刻有限元模型上叶片表面各节点处的水压力值，进行处理后建立各时刻水压力载荷文件。

（2） 在有限元前处理文件中，建立水压力载荷数组，通过各时刻水压力载荷文件给水压力载荷数组赋值。

（3） 在不同时刻，将叶片压力加载至计算网个节点上，并写入时间载荷步文件。

受限于计算机容量，设定叶片几何模型的网格节点数为90773 个，计算了一个转轮周期内转轮动应力的变化 ，转轮的转速为136.4r/min，转轮旋转周期为0.44s，与非定常流场计算相对应，对转轮的瞬态动力分析也采用每个周期分为120个时间步，然后计算出每一步的时间步长为=0.003366569s。

2 计算结果分析

图2-1列出了最低水头下工况（II，H49_Q105_P45MW）一个周期内不同时刻转轮叶片的最大等效应力云图。从图中可以看到转轮中应力集中的部位主要在叶片进出口与转轮上冠和下环的连接处。其余工况情况类似。在实际的电站运行中，也基本都是这些部位附近最先受到破坏。与叶片头部相比叶片尾部更薄一下，刚度较差更容易受到破坏。因此在叶片进出口与转轮上冠和下环的连接处设置了4个跟踪点，分析这4个点应力值随时间的变化规律。

图 2-2到2-3 为不同水头不同出力工况下转轮叶片危险部位一个转轮周期内的应力时间历程。限于篇幅，每个水头仅列出2个工况点计算结果。从图中可以看出，各点动应力的变化规律基本相似，只是波动幅度不一致，同时我们还可以发现，四个危险部位中动应力最大值均出现在叶片出水边也上冠的连接处，其次是叶出进出水边与下环的连接处，动应力最小值在叶片进口与上冠的连接处 。

由于最大应力值发生在转轮叶片进口与上冠连接处，图2-4为不同工况下最大应力点附近应力分布的变化图，表2-6给出了各工况下动应力最大值。

由上表可知，动应力的最大值都出现在相应水头条件下的低负荷涡带工况区。在额定水头下，工况IV下的动应力值最大，为164.3 MPa，在最大水头下，工况IV下的动应力值最大，为168.8 MPa，在最小水头下，工况III下的动应力值最大，为170.3 MPa。

图2-3到2-5是各个工况转轮危险部位动应力经过FFT分析的频谱图。而图中显示，额定水头条件下，工况II的动应力主频包括8.53Hz，19.18 Hz，29.84Hz分别为转轮主频的4倍，8倍和叶倍频，工况III的动应力主频包括8.53Hz，21.32Hz，29.84Hz分别为转轮主频的4倍，8倍和1倍叶倍频，工况IV的动应力主频包括8.53Hz，21.32Hz，29.84Hz分别为转轮主频的4倍，8倍和1倍叶倍频。同样分析其它水头部分负荷工况下的计算结果发现，叶片出水边与上冠连接处的动应力频率都包含29.84Hz的一倍叶倍频，如果水轮机长期在低负荷工况下运行，叶片出水边和上冠连接处在转轮运行过程中要承受交变的动应力，而且叶片出水边较薄，刚度较低，因而也更容易发生疲劳破坏。

对单个叶片和整个转轮分别作模态分析，在流场计算的基础上，对单个叶片和整体转轮和进行了静应力分析，得出叶片出水边是叶片振动敏感区域，1-10 阶振型最大位移皆发生在叶片出水边位置。对2#水轮机在不同工况下的转轮进行了瞬态动应力分析。主要结论如下：

（1） 转轮在流场压力作用下，存在四个应力集中区，因叶片进水边与上冠及下环连接处因叶片较厚，强度基本不影响，但在叶片出水边与上冠连接处，叶片出水边和下环连接处的应力影响极大，这些区域叶片较薄，与实际电站中转轮叶片发生裂纹的部位一致，这些区域对机组振动反应最为敏感。当这几个区域的动应力较大时，叶片极容易发生裂纹问题。

（2） 本次计算最大应力点出现在叶片出水边与上冠连接点，最大动应力值为170.3MPa它发生的频率包含29.84Hz的叶倍频，由于叶片出水边叶片较薄，刚度较低，因而更容易发生疲劳破坏。

3结论

由表2-6计算结论可知，有3个工况点最大动应力值超过160 MPa，超过了材料的许用应力206.7 MPa的75%，极易引起叶片的疲劳破坏。

4改善和消除裂纹发生的控制措施

（1）加强转轮叶片修复中焊接质量的监督管理，严格按焊接工艺方案作业，确保焊接修复的质量。修复叶片时，适当加厚焊接区域叶片出水边的厚度。

（2）对叶片进行补强，在叶片出水边加焊三角块增加强度。

（3）在试验及计算基础上，改善补气装置，消除叶道涡和涡带引起的水力振动等不利工况对诱发裂纹产生的不利因数。

参考文献：

[1] 罗兴锜，吴玉林，覃大清，郭鹏程，张乐福，刘树红，郑小波，廖伟丽，魏显著，高忠信 混流式水轮机水力优化设计的关键技术及应用[J]

[2]吴光宽;罗兴锜;冯建军;李文峰;基于瞬态流固耦合的混流式转轮叶片裂纹分析

[3]刁丽英;水轮机转轮裂纹的焊接修复

作者简介：刘国章（1971.01.27—），性别：男。籍贯：江苏泰州;民族;汉。学历大专;职称：工程师 职务：副主任，研究方向：水能动力。