带有缺陷的轴流水轮机叶片的动力特性分析

摘要

随着现代水轮机技术的发展，低水头水力资源的开发的越来越多地采用大型的转轮，使得当今水轮机在设计上朝着薄叶片和大尺寸方向发展，这对水轮机转轮叶片的制造和刚强度带来了严峻的考验，越来越多的电站因转轮叶片的铸造缺陷而产生裂纹，影响了机组效率，甚至出现叶片断裂的现象，严重影响了电站的安全稳定运行。因此，本文在考虑叶片缺陷的情况下，对带缺陷的轴流式水轮机转轮叶片进行了动力特性分析，取得的研究成果对提高机组的安全稳定运行有着长远的指导意义，有着重要的学术价值。
　　首先，分别建立有无缺陷叶片的有限元网格单元，将轴流水轮机CFD分析的动水压力结果，加载到两种叶片的有限元网格节点上，实现叶片的瞬态动力分析，结果表明两种叶片的最危险点位于靠出水边的叶片和枢轴的交界处，而且缺陷叶片在危险节点的应力集中程度要明显高于正常叶片。
　　其次，针对两种由铸造缺陷产生的裂纹，即对内埋裂纹和表面裂纹进行分析研究，其中，内埋裂纹是由于叶片的内部铸造缺陷导致扩展的裂纹;而采用的方法是研究表面裂纹的延展，来更加直观地反映出由铸造缩孔产生的外部叶片裂纹的发展规律。通过瞬态分析表明:内埋裂纹叶片变形量达到一定时，缺陷叶片的应力幅值明显高于正常叶片。在缺陷位置处产生了应力集中。此外，对两种裂纹在延展过程中的叶片强度进行了研究，结果表明:表面裂纹叶片在裂纹尖端出现应力幅值，在裂纹长度为88mm时到达破坏极限。而内埋裂纹叶片在枢轴与叶片交接处的应力集中现象非常明显，在裂纹长度为94mm时，叶片到达破坏极限。
　　最后，通过弱耦合的流固耦合法，对装有变形前后叶片的水轮机进行分析。研究表明:内埋裂纹叶片初期的变形量不大时，对转轮内的流场影响不大;但变形后内埋裂纹叶片的水轮机在尾水管最左侧墩体内靠近出口位置出现了大量回流，严重影响了尾水管内部的流态。危险部位测点的压力脉动，变形叶片测点的次频明显增多，变形后压力幅值也明显高于原始叶片，最大比例达6.72倍。在变形叶片的危险点处的主频值正好为叶片数乘以叶片转频的值，正好为叶片固有频率的整数倍，从而引发叶片共振与断裂。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 水轮机动力叶片特性的研究现状

1．3 轴流水轮机叶片强度破坏方面存在的问题

1．4 水轮机的制造缺陷和裂纹研究

1．5 国内外研究背景

1．5．1 水轮机的动力学研究背景

1．5．2 流固耦合的研究背景

1．6 裂纹分析

2 动力特性分析的理论与方法

2．1 流场分析

2．1．1 控制方程

2．1．2 数值模拟方法

2．1．3 湍流模型

2．1．4 网格生成技术

2．1．5 控制方程的离散和求解

2．2 有限元分析

2．2．1 计算方法

2．2．2 控制方程

2．2．3 网格划分

2．2．4 载荷施加技术

2．3 流固耦合分析

2．4 裂纹分析

2．5 本章小结

3 轴流式水轮机的三维全流道数值模拟

3．1 计算模型

3．2 边界条件

3．2．1 定常流动计算边界条件

3．3．2 非定常流动计算边界条件

3．4 定常流动计算结果分析

3．5 非定常流动计算结果分析

3．6 本章总结

4 轴流转轮叶片刚强度分析

4．1 叶片的有限元网格划分

4．2 叶片的材料属性

4．3 约束施加

4．4 荷载施加

4．5 模态分析

4．6 叶片的瞬态应力分析

4．7 本章总结

5 轴流叶片裂纹延展分析

5．1 裂纹的三维建模

5．1．1 内埋裂纹的三维建模

5．1．2 表面裂纹的三维建模

5．2 裂纹延展模型的模态分析

5．2．1 内埋裂纹延展模型的模态分析

5．2．2 表面裂纹的延展模型的模态分析

5．3 轴流叶片裂纹延展瞬态应力分析

5．3．1 含内埋裂纹的叶片瞬态应力分析

5．3．2 含表面裂纹的叶片瞬态应力分析

5．4 本章总结

6 叶片表面裂纹的二维延展分析

6．1 二维模型的选取

6．2 二维表面裂纹分析

6．3 二维平面裂纹分析和表面裂纹的瞬态分析结果对比

6．4 本章总结

7 带裂纹的轴流叶片的流固耦合计算

7．1 叶片变形分析

7．1．1 内埋裂纹变形分析

7．1．2 表面裂纹变形分析

7．2 变形模型的建立

7．2．1 内埋裂纹叶片的变形模型

7．2．1 表面裂纹叶片的变形模型

7．3 计算及结果分析

7．3．1 内埋裂纹叶片的计算结果分析

7．3．2 表面裂纹叶片的计算结果分析

7．4 本章总结

8 总结与展望

8．1 总结

8．2 展望

致谢

参考文献