水轮机叶片三维有限元刚强度与振动特性研究

摘要

本文是在国家自然科学基金资助项目（50379044）的支持下完成的。水轮机转轮叶片的刚强度与振动特性分析对水轮机的优化设计、稳定运行、防止事故发生等都有重要的理论与实际意义。本文目的就是要建立一套适合于水轮机转轮叶片刚强度与振动的分析模型和计算方法。 本文根据水轮机叶片的特点和工作性质，首先推导了叶片在离心力场下的运动微分方程及静应力分析有限元方程，采用六面体八节点单元建立了叶片的有限元计算模型，其中叶片受力考虑离心力、重力、水压力等，应用CFX流体分析软件，基于N-S方程和标准 紊流模型进行转轮内部流场计算，以求出水压力，并以一定的方式加载到有限元模型上进行求解。其次推导了叶片在空气中的振动频率的计算方程，利用流固耦合理论，计算了叶片在水中的频率及振型，对其在空气中及水中的振动特性进行比较，分析了影响振动的因素。为方便叶片进行有限元分析与计算，本文基于ANSYS软件，建立了叶片的前后处理系统，并根据以上模型与算法，通过算例考核与实际叶片的分析，证明了该计算模型的正确性，为实际工程应用及机组的安全运行提供理论依据和建议。