两级动叶可调式轴流风机失速演化过程的流固耦合研究

摘要

动叶可调式轴流风机以其流量大、变工况时经济性好、结构紧凑等优势得到了广泛的应用，而风机参数的不断提高使得叶轮的工作环境更加恶劣，风机运行中叶轮出现裂纹进而发生叶片断裂的事故时有发生。非稳定流动现象旋转失速是引发叶片断裂的重要原因之一，因此研究旋转失速对叶轮动力特性的影响具有重要意义。
　　本文以某电站两级动叶可调式轴流风机为研究对象，利用数值模拟软件 Fluent对风机的旋转失速现象进行了数值模拟，分析了旋转失速演化过程中五个典型时刻，设计工况、近失速工况、失速先兆工况、失速发展工况、完整失速团工况的流场特性。结果表明，旋转失速发生后，叶轮内部流场变化明显。失速最先产生在部分流道的叶顶附近，呈现出一个带状高熵产区。随着旋转失速的逐步演化，高熵产区扩大，叶轮流道内出现三个分散的高熵产区。最终三个小失速团聚集为一个大失速团，旋转失速达到相对稳定状态。
　　以风机旋转失速的流场特性为基础，利用仿真分析软件Ansys对风机叶轮进行了流固耦合特性分析。结果表明，旋转失速发生后，叶轮的等效应力分布变化较小，但总变形分布呈现明显的周向不均，气动载荷的变化对叶轮总变形分布具有显著影响。完全失速工况下，叶轮最大总变形位于失速团中心所在区域的叶顶前缘，较设计工况最大总变形量增大了133.3％。对叶轮进行了不同载荷下的模态分析，离心力载荷对叶轮的固有频率和振型具有一定影响，气动载荷影响很小。对于转速在1400r/min-1535r/min(避开率为-6%~3%)范围内，叶轮存在k=m=10的“三重点”共振。共振转速为1481r/min，共振裕度为0.61%。共振裕度非常小，因此叶轮较容易发生一阶十节径共振。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 旋转失速研究现状

1.3 流固耦合的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 轴流风机旋转失速数值模拟

2.1 引言

2.2 数值计算方法

2.3 流场模拟结果及分析

2.4 本章小结

第3章 轴流风机叶轮静力特性研究

3.1 引言

3.2 流固耦合基本步骤

3.3 叶轮有限元计算模型

3.4 叶轮强度分析

3.5 叶轮刚度分析

3.6 本章小结

第4章 轴流风机叶轮振动特性研究

4.1 引言

4.2 失速频率计算

4.3 叶轮模态分析

4.4 共振特性分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果

致谢