水泵水轮机转轮动力特性研究与共振预测

发布时间：2020-05-25 23:06

【摘要】：对于高水头的水泵水轮机来说,转轮在真实的流道中,与固体边界的间隙很小,这些刚性壁面边界条件会改变周围流体的附加质量。如何准确预测转轮固有频率和振型等模态特性以及水力激励力引起的动应力及振动特性显得尤为重要。本文采用数值模拟技术,研究刚性壁面及间隙流体对水泵水轮机转轮动力特性的影响。首先,以简单转子叶片模型为研究对象,比较了基于声固耦合的模态分析、谐响应分析方法以及传统的单向流固耦合和双向流固耦合瞬态分析方法等动态响应分析常用计算方法,并在此基础上提出了改进的单向流固耦合方法。该方法结合了声固耦合和多场耦合的优点,从而克服了双向耦合计算需耗费大量资源和时间的缺点,同时又避免了传统单向流固耦合计算只考虑水压力脉动对结构的激励,而未考虑水体附加质量效应对结构响应的影响。该方法具有明显的优势,可用于复杂水力机械动态响应及共振特性研究。其次,通过建立包含密封及间隙的流道水体域模型,采用声固耦合方法研究了真实工作流道中的模型水泵水轮机转轮的模态特性。对转轮的振型特点进行分析,并与实验结果比较,讨论了刚性壁面对转轮不同模态振型的固有频率及频率下降率的影响。通过建立含不同间隙尺寸的计算域模型,分析了间隙流体对模态特性的影响,以及轴向间隙和径向间隙对水体附加质量的影响。结果表明,转轮共振模态的水体附加质量最大;不考虑间隙流体时,其附加质量系数为考虑间隙时的20%～30%;间隙尺寸越小,水体的附加质量系数越大。深入分析了轴向和径向间隙对不同模态的影响,发现轴向间隙对同相位(IP)振型影响更大,对反相位(CP)振型及上冠占优(CD)振型相对影响较小;而径向间隙对CP和CD振型影响相比于IP振型更大。此外,基于改进的单向流固耦合方法,充分考虑了水体附加质量的影响,分析了模型转轮在真实工作状态下的动应力特性。为了准确获取水力激励力特性,建立了包含间隙的三维全流道模型,进行了水泵水轮机空载启动过程中五个工况的非定常CFD计算分析,为转轮动应力分析提供了可靠的压力载荷边界条件。并通过对不同计算域模型进行瞬态结构场分析,研究了附加质量对转轮动应力特性的影响。结果表明,动应力时间历程曲线具有明显的周期性,并与实验结果吻合很好;下环处测点的动应力幅值比上冠处测点大,动应力幅值最大的工况,下环测点半峰峰值达51.9 MPa。研究证实,水体附加质量不仅显著影响动应力幅值,还会改变结构动态响应的频率。最后,本文预测了模型水泵水轮机在启动过程中的共振现象,得到了与实验结果相吻合的共振曲线。分析了间隙流体、附加质量和阻尼对转轮共振特性的影响,深入研究了产生共振的原因。结果表明,该模型机组在91.3%额定转速附近,转轮的(2+4)ND模态被激励出来从而引发了共振。本文中的数值方法对于共振曲线的预测相当可靠,对比实测结果,共振点的转速和幅值预测精度都在3%以内。附加质量和阻尼对共振点影响较大,而对非共振点影响不大。共振曲线的预测,相比于只通过模态分析和谐响应分析来判断结构是否发生共振,具有更重要的工程指导意义。本文提出了一套系统的、精度高的动力特性分析方法,可用于转轮设计阶段的安全校核。所取得的研究成果,对于指导水泵水轮机机组的安全稳定运行具有重要意义。
【图文】：

共振特性,转轮

逦遽逡逑图１－２转轮共振特性［６］逦图１－３转轮疲劳破坏［１７］逡逑１．２国内外研究现状逡逑１．２．１模态特性及水体附加质量研究现状逡逑转轮在水中的固有频率和振型是转轮设计的重要参数。可以通过准确预估转轮的逡逑频率和振型继而采取有效措施使转轮避免共振或拍振，避免转轮产生快速的疲劳破坏。逡逑在实际运行过程中，转轮处于水体的包围之中，转轮结构的振动会带动周围的流体一逡逑起振动，从而流体会产生一定的附加质量，使得转轮的模态特性发生改变。逡逑最初研宄对象只是针对简单的物理模型，像悬臂梁、平板、圆盘等。圆盘结构的逡逑振型与高水头水轮机转轮振型非常相似，对圆盘振型进行分析，有助于理解转轮的振逡逑型。为了很好的描述振型，引入了节径（ＮＤ，Ｎｏｄａｌ邋Ｄｉａｍｅｔｅｒ）和节圆（ＮＣ，Ｎｏｄａｌ逡逑Ｃｉｒｃｌｅ）的概念＿，节径和节圆表示圆盘中位移为０的线或圆，如图１－４所示。对于逡逑转轮在水中的模态特性

转轮,疲劳破坏

逦１００逦遽逡逑图１－２转轮共振特性［６］逦图１－３转轮疲劳破坏［１７］逡逑１．２国内外研究现状逡逑１．２．１模态特性及水体附加质量研究现状逡逑转轮在水中的固有频率和振型是转轮设计的重要参数。可以通过准确预估转轮的逡逑频率和振型继而采取有效措施使转轮避免共振或拍振，避免转轮产生快速的疲劳破坏。逡逑在实际运行过程中，，转轮处于水体的包围之中，转轮结构的振动会带动周围的流体一逡逑起振动，从而流体会产生一定的附加质量，使得转轮的模态特性发生改变。逡逑最初研宄对象只是针对简单的物理模型，像悬臂梁、平板、圆盘等。圆盘结构的逡逑振型与高水头水轮机转轮振型非常相似，对圆盘振型进行分析，有助于理解转轮的振逡逑型。为了很好的描述振型，引入了节径（ＮＤ，Ｎｏｄａｌ邋Ｄｉａｍｅｔｅｒ）和节圆（ＮＣ，Ｎｏｄａｌ逡逑Ｃｉｒｃｌｅ）的概念＿，节径和节圆表示圆盘中位移为０的线或圆，如图１－４所示。对于逡逑转轮在水中的模态特性
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK730.1

【参考文献】