大型水轮机组流固耦合特性研究.pdf

分类号：TK733 单位代码：10019 密 级：公开 学 号：S06101109 学位论文 大型水轮机组流固耦合特性研究 Study on Fluid-Structure Interaction for Large Hydraulic Turbines 研究生： 赵 薇 指导教师： 王福军 教授 申请学位门类级别： 工学硕士 专业名称： 流体机械及工程 研究方向： 流体机械 CAD/CAE 所在学院： 水利与土木工程学院 二○○八年六月 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名： 时间： 年 月 日 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容 （保密的学位论文在解密后应遵守此协议）（保密的学位论文在解密后应遵守此协议） 研究生签名： 时间： 年 月 日 导师签名： 时间： 年 月 日 I 摘 要 近年来随着一些大型水电站的投产运行，混流式水轮机运行稳定性的重要程度已超过能量指标和空蚀性能两大要素，成为水电站建设中首要考虑的问题而影响水轮机组运行稳定性的重要因素则是转轮结构的振动特性因此，对大型混流式水轮机转轮结构进行流固耦合动力特性分析和研究，是一项十分具有意义的工作。

本文依托国家自然科学基金重大研究计划项目（编号：90510007） ，采用流固耦合方法对某电站水轮机转轮及单个 X 型叶片进行了模态分析， 求得水轮机转轮及单个叶片分别在空气中和水中的前 5 阶固有频率及振型，为结构动态响应分析提供了依据其次，采用顺序耦合的方法，对混流式水轮机全流道在不同工况下进行了三维非定常数值模拟，获得转轮区域在不同时刻的压力脉动值，并以该压力脉动值作为动载荷通过流固耦合接口程序施加到转轮结构场上，求得转轮结构的动态响应特性并对其应力和变形进行了分析结果表明，转轮内的水压力场具有明显的周期性特征，转轮结构在其压力的作用下所表现出来的最大应力，主要集中于靠近叶片头部和叶片尾部分别与下环相接处，位移变形从上冠到下环逐渐增大比较不同工况发现，在相同水头下，出力大的工况转轮的应力较大最后，将 X 型叶片转轮与传统转轮的应力特性相比较发现，X 型叶片的应力集中区域和传统叶片有所不同，并且应力值也大大降低，表明其抗裂纹和抗疲劳性能有所增强 本文所得出的研究成果可以指导电站工作工况的选择，并为水轮机转轮结构的进一步改进提供了参考依据 关键词关键词：水轮机，流固耦合，模态分析，动应力分析 II Abstract Reliability and stability of Francis turbines become more significant researching areas compared with the investigation of efficiency and cavitation features during design of large hydraulic power stations in recent years. Typically，mechanical vibrations of runners are the main causes leading to instability of hydraulic turbine operations. Therefore，it is significant to investigate fluid-structure interaction characteristics，which facilitate the analysis for sources of undesirable vibrations，for large hydraulic turbine runners. Modal analysis of a hydraulic turbine runner and a single blade in air and water are introduced respectively in the thesis. The analysis provides first 5 natural frequencies and corresponding modes of the runner and blade，offering references for structural transient dynamic response analysis. The transient CFD simulation including the spiral case， stay vane， guide vane， runner vane and draft tube at different operation points，gives blade pressures in time domain. Then，the calculated pressure distribution on the runner blade is treated as a periodic excitation. With the external excitation，transient structural simulation based on fluid-structure interaction （FSI） method is performed to obtain the runner transient structural dynamic responses. The results indicate that the pressure distribution of the runner is periodical. Besides，the maximum equivalent stresses of the runner are at such areas: joint of band and outlet of blade，and joint of band and inlet of blade. The deflection increases gradually from crown to band. The current research shows the equivalent stress rises with increasing outputs. Compared with traditional Francis turbine runners，the areas of the maximum stresses in current X type blades are different， and the values of the stresses are much less， indicating improved crack resistance anti-fatigue performances. Hopefully，the results presented in the thesis can help the selection of hydraulic power station operation points，and provide a reference for advanced modification of hydraulic turbine runners. Key words：hydraulic turbines，fluid structure interaction，modal analysis，dynamic stress analysis III 目 录 第一章 绪论...................................................................................................1 1.1 研究背景及意义...................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...................................................................................................1 1.3 本文研究内容.......................................................................................................5 第二章 水轮机结构动态响应计算原理及方法...........................................6 2.1 模态分析...............................................................................................................6 2.2 结构动态响应计算原理.....................................................................................10 2.3 流固耦合条件下的结构动态响应计算方法.....................................................12 2.4 本章小结.............................................................................................................14 第三章 流固耦合条件下的水轮机转轮模态分析.....................................15 3.1 转轮及叶片的实体建模和网格划分.................................................................15 3.2 叶片模态分析.....................................................................................................18 3.3 转轮模态分析............................................。