混流式水轮机转轮的刚强度分析.

第24卷第2期文章编号:1000 7709(2006 02 0008 04 水 电 能 源 科 学

V o l. 24N o. 2混流式水轮机转轮的刚强度分析 徐 斌 廖伟丽 逯 鹏

(西安理工大学水利水电学院, 陕西西安710048

摘要:运用CFX 软件对混流式转轮不同工况下的流场进行计算, 得出作用在转轮上的压力。通过有限元软件把叶片的压力分布作为荷载加载到转轮上, 由此精确地计算变工况下的混流式转轮及叶片刚强度, 确定出混流式转轮叶片上的应力和变形。关键词:混流式水轮机; 转轮; 叶片; 流场中图分类号:T K 73

文献标志码:A 1 概述

中、高比速混流式水轮机转轮中的裂纹现象, 在世界各地普遍存在。国内的岩滩、李家峡、五强溪及埃及的阿斯旺高坝、俄罗斯的布拉茨克等大型水电站[1, 2], 在投运后水轮机转轮都不同程度地出现了裂纹。转轮裂纹严重影响电站的安全运行和经济效益, 如何彻底解决裂纹问题已成为世界范围内倍受关注的热点与难点。国内外的研究表明, 转轮运行中出现的裂纹可分为规律性裂纹和非规律性裂纹。绝大多数的规律性裂纹是疲劳

[3, 4]

裂纹, 其断口呈贝壳纹, 是由于设计不完善导致转轮疲劳强度不足及水力激振力引发的结构共振所产生的动载荷作用, 特别是出现低频共振时, 极易引起结构的严重破坏。非规律性裂纹, 有的呈龟裂纹, 有的呈脆性断口, 也有的呈疲劳贝壳纹, 多半是由材料不良或制造缺陷造成[5, 6]。本文主要研究规律性疲劳裂纹的变化情况。运

用CFX5软件计算出流场中的压力分布, 将流场压力加载到转轮上, 利用有限元软件计算转轮在易发生空化和产生裂纹的工况点的应力和变形, 再对其结果进行分析。

=Db u (2

式中, u 、F 分别为节点的位移和所受的力; K 、D 、b 分别为刚度矩阵、弹性矩阵、应变矩阵。

以某一混流式转轮为研究对象, 该转轮直径为0. 34m , 叶片数为13个, 密度为8. 05 10kg /m 3, 弹性模量为3 1011, 泊松比为0. 27。

3

应用CFX5软件建立混流式水轮机转轮的模型图, 并计算出流场的分布(图1以导叶开度为16mm, 单位转速为37. 5r/min 为例 。! 再建立转轮的模型, 转轮由上冠、叶片和下环组成。上冠与主轴上的法兰盘用螺栓连接, 上冠、叶片与下环之间是通过焊接相连接。?应用有限元软件中的Meshtoo l 功能, 采用Solid45单元, 将所建的三维模型划分单元, 网格划分采用自由划分, 整个模型节点数为17887个, 所建模型如图2所示。

2 模型的建立

结构强度计算的静力学有限元方程为[7]: K u =F (1

收稿日期:2006 03 02

基金项目:国家自然科学基金资助项目(90410019, 50379044

作者简介:徐斌(1978 , 男, 硕士研究生, 研究方向为转轮动应力, E mail:x ubing 78102@Sina. co m. cn

图1 转轮网格图Fig. 1 Me s h g rid o f runner

第24卷第2期徐 斌等:混流式水轮机转轮的刚强度分析 # 9 #

得到, 并通过一定的方法加载到有限元模型的节点上, 利用有限元软件可以计算出转轮在水压力情况下的变形和应力。

[7]

图2 转轮模型Fig. 2 Runne r mode l 3 边界条件的处理 图3 转轮模型特性曲线

计算模型的边界条件处理, 是为了使所建模型能逼真地模拟所分析结构的安装、固定以及与周围其他结构之间的相互作用关系, 同时能准确地模拟结构在各种工况下的受力情况。3. 1 约束边界条件

在本次计算所建模型中, 混流式水轮机与其他部件之间相连接的是上冠与下环。所以约束即在上冠和下环上加: 混流式水轮机上冠与主轴上的法兰盘是螺栓连接, 所以上冠顶部加以全约束, 即U x =U y =U z =0, 用于模拟在受力时上冠与法兰盘之间不可能发生相互移动的实际情况。! 对与叶片焊接的下环, 加以单向约束, 即U z =0, 这反映了真实结构在整体中不可能互相侵入的事实。3. 2 计算

根据水轮机的实际情况及采用CFX5对流场的理论计算, 可知当导叶开度较小、比转速较大或较小的情况下, 叶片上较易产生叶道涡。因此, 根据转轮340mm 的模型特性曲线(图3 选取表1所给工况进行刚强度计算。这些工况的Fig. 3 Cha rac t e rist ic c urv e o f runne r mo de l

4 结果与分析

通过有限元软件的计算可得到转轮在流场中各个工况点的应力图和变形图, 以工况1的变形与应力图(图4、图5 示之, 其他工况点的情况见

图5 变形图 t o rt io n o f r #10#表1。

水 电 能 源 科 学 2006年

裂纹破坏的可能性, 而将裂纹的产生归因于运行过程中的动载荷的作用。在水轮机运行过程中应尽量避免偏离最优工况运行。

由图6、图7的水压力分布图可看出, 在小流量工况点, 叶片正背面水压力的最大值出现在进水边靠近下环的部位, 从进水边到出水边由正压到负压逐渐过渡, 叶片背面靠近出水边区域为负压分布区。在出力限制线上的大流量工况点叶片正背面水压力的最大值出现在进水边靠近上冠的部位, 从进水边到出水边由正压到负压逐渐过渡, 叶片背面靠近出水边区域为负压分布区。

0. 2140. 2820. 3590. 310 0. 294

表1 各工况点转轮的变形和应力

Ta b. 1 Dis t or t ion a nd s t re ss o f runner at diff er ent o pe rat ing c ondit ion 工况12345

最大应力最大位移-1/mm 导叶开度/mm 单位转速/(r #min /M P 16. 016. 020. 024. 4