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基于流固耦合的混流式水轮机有限元分析

发布于:2018-12-10 21:28
有限元分析

      近年来,国内外一系列水力机组频繁发生振动和转轮叶片裂纹问题,严重影响了机组的安全稳定运行和经济效益。随着流固耦合技术的飞速发展,很多学者对水力机械进行了基于流固耦合的应力特性研究。肖若富等对混流式水轮机全流道流场进行了CFD计算,采用顺序流固耦合方法得到了转轮最大静应力与水轮机功率的线性关系。张新口等运用单向流固耦合的方法对轴流泵叶轮强度进行有限元分析。利用单向流固耦合方法计算旋转机械应力和变形的有效性和准确性已获得了工程界的认可,本文借助计算流体动力学AppCFX和ansys workbench平台,对我国东北某大型混流式水轮机全流道设计水头下不同工况进行了CFD计算。基于单向流固耦合方法计算得到不同工况下转轮最大静应力和变形量,从而实现对水轮机转轮强度的校核与预测,可对混流式水轮机结构设计优化和裂纹原因分析提供参考。
      本文以我国东北某大型混流式水轮机为研究对象,建立了从蜗壳进口至尾水管出口的全流道计算模型。流体和实体部分均采用UG建模。流体机械内部水流运动可以采用连续性方程和雷诺时均N-S方程联立来描述,连续性方程:质量力;P为压强拼为湍动粘度。一般认为水流是不可压缩流体,不考虑能量守恒方程。通过雷诺时均N-S方程描述湍流运动时,需要引人湍流模型来封闭方程组,本文采用能够准确模拟近壁面区域。模型进行计算域流动特性的模拟。采用有限体积法对控制方程组进行离散,扩散项和压力梯度采用有限元函数表示,对流项采用高阶求解格式。采用全隐式多重网格耦合方法对流场进行求解,将动量方程和连续性方程耦合求解,流体域包括蜗壳段、座环段、转轮段和尾水管段,结构域只考虑转轮。
      混流式水轮机全流道过流部件多,几何形状复杂,运用ICEM对流体区域进行几何适应性强的四面体非结构化网格划分,分别对蜗壳、座环、转轮、尾水管进行了网格划分及局部加密,部分流体计算区域网格如图所示,整个水轮机流体计算域网格单元总数为319.6万,蜗壳、座环、转轮、尾水管网格单元数分别为30.6万,97.8万,167.4万,23.8万。在CFXApp平台上完成数值模拟工作,边界条件为:流场进口处设置给定总压边界条件,出口处设置白由出流边界条件,固壁上采用绝热、无滑移边界条件,转轮流体域与转轮实体相接部分定义为流固耦合边界,采用Frozen rotor处理转轮与座环、尾水管之间旋转坐标系与静止坐标系流动参数的转换。计算得到三种工况下叶片表面水压力的分布作为转轮强度有限元计算的流固耦合表面荷载边界条件。以设计工况为例,叶片表面静压分布。
      转轮的材料为ZG20SiMn,密度为7860kg/m3,杨氏模量为211GPa,泊松比0.29,屈服强度295MPa。转轮尺寸的单元网格设为80mm,采用白由划分的方法对转轮划分网格,由于应力集中常发生在叶片根部区域,为了保证计算精度,对这一敏感区域进行了网格加密。网格划分共产生1743812个单元和2550548个节点,如下页图所示。模型边界条件包括结构载荷和约束,两种结构载荷有:①惯性载荷,包括重力加速度和转轮转速;②表面载荷,即由前文流场计算获得的作用在所有流固耦合面上的水压力。为了防止产生刚体位移,转轮约束条件设置为在转轮与主轴把合螺栓处,约束相应节点的白由度。整个转轮荷载和约束的设置如下页图所示。对转轮在3个工况点下进行有限元求解,得到各个工况下转轮的静应力及位移分布云图。
      由于各工况下转轮的静应力及总变形分布规律相似,只是数值上有所区别,因此只给出转轮在设计工况下的静应力和变形分布。设计工况下转轮静应力分布如图所示。水流流态顺畅,叶片压力面与吸力面压差较大,叶片表面静压梯度明显,应力分布趋于均匀,此时应力集中与应力最大值出现在叶片出水边靠近上冠处。这是因为约束条件设置为在转轮与主轴把合螺栓处,在加载了叶片表面水压力载荷的情况下,叶片靠近固定约束处的弯矩和剪力较大,无法通过弯曲和变形释放应力,同时叶片出水边厚度较薄,刚度和强度不足,所以造成了此处的应力集中与应力最大值,并易产生疲劳破坏。


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