CFD和FEA在混流式水轮机转轮叶片局部改型中的应用
2021-07-07高健刘晓娟
高健 刘晓娟
摘要:国内外大型水轮机企业都有雄厚的技术实力,各个水头断均有优秀的转轮。但是每一个电站的水文特性不尽相同,转轮在一般情况下不能直接套用。针对部分直接套用后的转轮,出现能量特性、空蚀性能、水利稳定性下降的情况,从转轮优化改型安全性和成本控制考虑,利用CFD和FEA技术对转轮叶片进行局部优化,是一种比较经济和安全的设计方案。
关键词:CFD;有限元分析;刚强度;混流式水轮机
一、前言
五一桥水电站HLA575C转轮,为上个世纪90年代研制的老型号转轮。由于该转轮在五一桥水电站投运之初,并未经流场分析与转轮刚强度计算,转轮不可避免地在水力设计上存在一些缺陷,导致转轮在运行之中出现过多次叶片裂纹和脱块现象。鉴于此,五一桥公司通过CFD技术,结合有限元分析,对HLA575C转轮及通流部件的内部流场结构、转轮刚强度、转轮动力特性进行计算,提出了转轮叶片局部改型的优化方案。既在原转轮木模图基础上,保持转轮叶片主体型线不变,并结合CFD技术对转轮结构进行优化,将转轮叶片做局部增厚和叶片出水边三角区适当延长;同时利用有限元分析技术,验算改型后的转轮刚强度与动力特性是否满足设计要求,以提高轉轮的性能指标。
二、转轮CFD流动分析
2.1叶片增厚方案
HLA575C转轮叶型改造基于原型号木模图进行,叶片主体形线没有改变,仅是进行了局部强化处理。叶型强化主要对叶片正面后1/3部分进行了增厚处理,并对头部背面进行了局部加厚,最大增厚约4mm~6mm。
2.2三角块增强工艺
理论及实践证明,转轮出口加装三角块,对消除上冠下环三角区应力集中有显著作用。该工艺方案能够有效增强叶片强度,抵抗转轮出口涡带摆动带来的动应力,大幅减少叶片发生裂纹的几率。五一桥水电站HLA575C转轮三角块厚度由原来出水边理论厚度7mm增加到14mm左右,三角块沿流线方向长30mm,宽50mm。
2.3计算工况点及方法
HLA575C转轮的模型综合特性曲线,最优工况点单位转速n11≈67.2r/min,单位流量Q11≈470L/s。五一桥转轮改型方案仅是加强处理,没有翼型优化,要维持其原有水力性能,只需要校核其最优工况转轮出口流速分布、内流态、叶片表面压力分布、负荷分布等维持原有规律即可。
HLA575C转轮仿真计算采用的是单通道水力模型相对比较方法,即在同样的导叶开度下,通过给定总压进口、均压出口和最优单位转速时水轮机转速,求解最优单位流量,通过流量、效率、压力、环量等特征参数相对比较,即可判断叶型局部加厚后,设计工况有无漂移,水力特性有无变化。
2.4仿真计算
(1)定量结果
表1为定量计算结果。可以看出,在同一导叶开度下同一单位转速67.2r/min,改造转轮单位流量比原转轮小0.44L/s,相对效率低0.01%,这一结果符合预期,是叶片局部增厚后过流能力减小,摩擦阻力增大的正常结果。
(2)转轮出口流速分布
图1为转轮出口流速分布。可以看出,改造前后转轮出口环量(绿色)分布基本一致,且改造后出口轴向流速(红色)更为均匀。说明转轮的出口流态没有大的变化,且有向好趋势,尾水管能量回收、叶片进口背面压力分布、叶片表面的局部脱流都会比原来更好。
(3)叶片负荷曲线
图2为转轮叶片负荷分布。可以看出,改造前后负荷分布规律基本一致,且叶片头部背面增厚后,减缓了叶片头部背面压力突变,减小了强冲击,更有助于高水头叶片的稳定性。
(4)叶片压力分布
图3为转轮叶片表面压力分布。可以看出,改造前后转轮叶片正背面压力分布基本一致,且叶片光滑处理后压力梯度更均匀,有助于内部稳定做功。
(5)转轮内流场
图4为转轮内部流场。可以看出,改造前后转轮内部流线分布几乎完全一致,说明转轮内部流场没有变化,转轮改造前后的水力特性应该基本一致。
通过定量计算和校核工况计算,局部加厚和三角区适当延长前后,转轮的过流能力和效率没有明显变化。图1~图4对比可以看出,在最优工况增厚前后,转轮出口流速分布、叶片压力分布、负荷曲线、内部流场都没有明显变化。因此,叶片增厚方案不会对原转轮的水力特性带来有害影响,原模型综合特性不会发生较大变化。
三、转轮改型刚强度分析
3.1计算工况及载荷
五一桥转轮改型通过有限元法,借用ANSYS分析程序,对转轮的刚强度及动力特性进行了计算与分析,计算工况点包括:飞逸工况、额定水头工况、最大水头工况。载荷条件包括离心载荷、重力载荷和压力载荷。
3.2计算模型及边界条件
五一桥转轮计算模型,采用的整体转轮结构。有限元分析中,采用ANSYS三维实体单元 (SOLID186) 对结构进行离散,通过接口程序建立由水力设计提供的水压力数据。边界条件按实际情况对计算模型进行边界处理。
3.3应力考核标准及分析结论
根据计算结果,转轮在预期的最大荷载条件下正常运行时,各部位最大应力未超过材料屈服极限的1/5 ( 116MPa );在最高飞逸转速时,最大应力未超过材料屈服极限的2/5 ( 232MPa ) ,证明五一桥改型转轮的结构设计满足强度要求。
四、转轮改型动力特性计算
五一桥转轮改型采用流固耦合的方法对转轮进行水下固有频率分析。转轮上冠与主轴把合面进行全自由度固定约束,结构与水体接触面设置流固耦合边界条件。
转轮水下主要固有频率计算结果、振型情况,与机组可能的激振频率对比,其结构均避开了激振源频率,具有良好的动力特性,不会产生共振。
五、结语
五一桥水电站HLA575C转轮自投运以来,一直存在叶片进水边气蚀、出水边频发裂纹和脱块的现象。通过CFD和FEA技术,采用较为保守的叶片局部改型方案,成功解决了上述问题。并在机组运行中,实际检验了机组振动情况较改造前得到提升,转轮出力和机组效率未发生下降,转轮也未再出现裂纹。说明叶片局部增厚和加装三角块工艺,在保持原有水力特性的基础上,可以有效增强原转轮的刚强度,能够防治叶片掉块等原发性问题。
参考文献
[1] 中国电力出版社,《中国电力百科全书+水力发电卷》[G],水电站机电部分,水轮机部件。