【摘要】：對(duì)于高水頭的水泵水輪機(jī)來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)輪在真實(shí)的流道中,與固體邊界的間隙很小,這些剛性壁面邊界條件會(huì)改變周?chē)黧w的附加質(zhì)量。如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)輪固有頻率和振型等模態(tài)特性以及水力激勵(lì)力引起的動(dòng)應(yīng)力及振動(dòng)特性顯得尤為重要。本文采用數(shù)值模擬技術(shù),研究剛性壁面及間隙流體對(duì)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動(dòng)力特性的影響。首先,以簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)子葉片模型為研究對(duì)象,比較了基于聲固耦合的模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析方法以及傳統(tǒng)的單向流固耦合和雙向流固耦合瞬態(tài)分析方法等動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析常用計(jì)算方法,并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的單向流固耦合方法。該方法結(jié)合了聲固耦合和多場(chǎng)耦合的優(yōu)點(diǎn),從而克服了雙向耦合計(jì)算需耗費(fèi)大量資源和時(shí)間的缺點(diǎn),同時(shí)又避免了傳統(tǒng)單向流固耦合計(jì)算只考慮水壓力脈動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的激勵(lì),而未考慮水體附加質(zhì)量效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。該方法具有明顯的優(yōu)勢(shì),可用于復(fù)雜水力機(jī)械動(dòng)態(tài)響應(yīng)及共振特性研究。其次,通過(guò)建立包含密封及間隙的流道水體域模型,采用聲固耦合方法研究了真實(shí)工作流道中的模型水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的模態(tài)特性。對(duì)轉(zhuǎn)輪的振型特點(diǎn)進(jìn)行分析,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,討論了剛性壁面對(duì)轉(zhuǎn)輪不同模態(tài)振型的固有頻率及頻率下降率的影響。通過(guò)建立含不同間隙尺寸的計(jì)算域模型,分析了間隙流體對(duì)模態(tài)特性的影響,以及軸向間隙和徑向間隙對(duì)水體附加質(zhì)量的影響。結(jié)果表明,轉(zhuǎn)輪共振模態(tài)的水體附加質(zhì)量最大;不考慮間隙流體時(shí),其附加質(zhì)量系數(shù)為考慮間隙時(shí)的20%～30%;間隙尺寸越小,水體的附加質(zhì)量系數(shù)越大。深入分析了軸向和徑向間隙對(duì)不同模態(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)軸向間隙對(duì)同相位(IP)振型影響更大,對(duì)反相位(CP)振型及上冠占優(yōu)(CD)振型相對(duì)影響較小;而徑向間隙對(duì)CP和CD振型影響相比于IP振型更大。此外,基于改進(jìn)的單向流固耦合方法,充分考慮了水體附加質(zhì)量的影響,分析了模型轉(zhuǎn)輪在真實(shí)工作狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力特性。為了準(zhǔn)確獲取水力激勵(lì)力特性,建立了包含間隙的三維全流道模型,進(jìn)行了水泵水輪機(jī)空載啟動(dòng)過(guò)程中五個(gè)工況的非定常CFD計(jì)算分析,為轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力分析提供了可靠的壓力載荷邊界條件。并通過(guò)對(duì)不同計(jì)算域模型進(jìn)行瞬態(tài)結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析,研究了附加質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力特性的影響。結(jié)果表明,動(dòng)應(yīng)力時(shí)間歷程曲線具有明顯的周期性,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好;下環(huán)處測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力幅值比上冠處測(cè)點(diǎn)大,動(dòng)應(yīng)力幅值最大的工況,下環(huán)測(cè)點(diǎn)半峰峰值達(dá)51.9 MPa。研究證實(shí),水體附加質(zhì)量不僅顯著影響動(dòng)應(yīng)力幅值,還會(huì)改變結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的頻率。最后,本文預(yù)測(cè)了模型水泵水輪機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的共振現(xiàn)象,得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的共振曲線。分析了間隙流體、附加質(zhì)量和阻尼對(duì)轉(zhuǎn)輪共振特性的影響,深入研究了產(chǎn)生共振的原因。結(jié)果表明,該模型機(jī)組在91.3%額定轉(zhuǎn)速附近,轉(zhuǎn)輪的(2+4)ND模態(tài)被激勵(lì)出來(lái)從而引發(fā)了共振。本文中的數(shù)值方法對(duì)于共振曲線的預(yù)測(cè)相當(dāng)可靠,對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果,共振點(diǎn)的轉(zhuǎn)速和幅值預(yù)測(cè)精度都在3%以內(nèi)。附加質(zhì)量和阻尼對(duì)共振點(diǎn)影響較大,而對(duì)非共振點(diǎn)影響不大。共振曲線的預(yù)測(cè),相比于只通過(guò)模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析來(lái)判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生共振,具有更重要的工程指導(dǎo)意義。本文提出了一套系統(tǒng)的、精度高的動(dòng)力特性分析方法,可用于轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)階段的安全校核。所取得的研究成果,對(duì)于指導(dǎo)水泵水輪機(jī)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。
【圖文】：

邐遽逡逑圖１－２轉(zhuǎn)輪共振特性［６］邐圖１－３轉(zhuǎn)輪疲勞破壞［１７］逡逑１．２國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑１．２．１模態(tài)特性及水體附加質(zhì)量研究現(xiàn)狀逡逑轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率和振型是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的重要參數(shù)�？梢酝ㄟ^(guò)準(zhǔn)確預(yù)估轉(zhuǎn)輪的逡逑頻率和振型繼而采取有效措施使轉(zhuǎn)輪避免共振或拍振，避免轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生快速的疲勞破壞。逡逑在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)輪處于水體的包圍之中，轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周?chē)牧黧w一逡逑起振動(dòng)，從而流體會(huì)產(chǎn)生一定的附加質(zhì)量，使得轉(zhuǎn)輪的模態(tài)特性發(fā)生改變。逡逑最初研宄對(duì)象只是針對(duì)簡(jiǎn)單的物理模型，像懸臂梁、平板、圓盤(pán)等。圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的逡逑振型與高水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪振型非常相似，對(duì)圓盤(pán)振型進(jìn)行分析，有助于理解轉(zhuǎn)輪的振逡逑型。為了很好的描述振型，引入了節(jié)徑（ＮＤ，Ｎｏｄａｌ邋Ｄｉａｍｅｔｅｒ）和節(jié)圓（ＮＣ，Ｎｏｄａｌ逡逑Ｃｉｒｃｌｅ）的概念＿，節(jié)徑和節(jié)圓表示圓盤(pán)中位移為０的線或圓，如圖１－４所示。對(duì)于逡逑轉(zhuǎn)輪在水中的模態(tài)特性

邐１００邐遽逡逑圖１－２轉(zhuǎn)輪共振特性［６］邐圖１－３轉(zhuǎn)輪疲勞破壞［１７］逡逑１．２國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑１．２．１模態(tài)特性及水體附加質(zhì)量研究現(xiàn)狀逡逑轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率和振型是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的重要參數(shù)�？梢酝ㄟ^(guò)準(zhǔn)確預(yù)估轉(zhuǎn)輪的逡逑頻率和振型繼而采取有效措施使轉(zhuǎn)輪避免共振或拍振，避免轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生快速的疲勞破壞。逡逑在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，，轉(zhuǎn)輪處于水體的包圍之中，轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)帶動(dòng)周?chē)牧黧w一逡逑起振動(dòng)，從而流體會(huì)產(chǎn)生一定的附加質(zhì)量，使得轉(zhuǎn)輪的模態(tài)特性發(fā)生改變。逡逑最初研宄對(duì)象只是針對(duì)簡(jiǎn)單的物理模型，像懸臂梁、平板、圓盤(pán)等。圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的逡逑振型與高水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪振型非常相似，對(duì)圓盤(pán)振型進(jìn)行分析，有助于理解轉(zhuǎn)輪的振逡逑型。為了很好的描述振型，引入了節(jié)徑（ＮＤ，Ｎｏｄａｌ邋Ｄｉａｍｅｔｅｒ）和節(jié)圓（ＮＣ，Ｎｏｄａｌ逡逑Ｃｉｒｃｌｅ）的概念＿，節(jié)徑和節(jié)圓表示圓盤(pán)中位移為０的線或圓，如圖１－４所示。對(duì)于逡逑轉(zhuǎn)輪在水中的模態(tài)特性
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TK730.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 袁壽其;方玉建;袁建平;張金鳳;;我國(guó)已建抽水蓄能電站機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題綜述[J];水力發(fā)電學(xué)報(bào);2015年11期

2 孫琦;陳喜陽(yáng);章紅雨;孫建平;;基于流固耦合的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力數(shù)值模擬分析[J];水電能源科學(xué);2015年06期

3 張福星;鄭源;魏佳芳;丁琳;楊春霞;;基于流固耦合的貫流式水輪機(jī)應(yīng)力分析[J];水力發(fā)電學(xué)報(bào);2014年03期

4 高江永;王福軍;瞿麗霞;劉竹青;戚蘭英;;大型雙吸離心泵葉輪動(dòng)應(yīng)力特性[J];農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào);2012年01期

5 王福軍;趙薇;楊敏;高江永;;大型水輪機(jī)不穩(wěn)定流體與結(jié)構(gòu)耦合特性研究Ⅱ:結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力與疲勞可靠性分析[J];水利學(xué)報(bào);2012年01期

6 王福軍;趙薇;楊敏;肖若富;;大型水輪機(jī)不穩(wěn)定流體與結(jié)構(gòu)耦合特性研究Ⅰ:耦合模型及壓力場(chǎng)計(jì)算[J];水利學(xué)報(bào);2011年12期

7 楊敏;王福軍;戚蘭英;高江永;;流固耦合界面模型及其在水力機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析中的應(yīng)用[J];水利學(xué)報(bào);2011年07期

8 鄭民生;馬新紅;李文長(zhǎng);;小浪底電站轉(zhuǎn)輪裂紋原因及處理措施[J];水電能源科學(xué);2008年05期

9 錢(qián)勤;陳喜陽(yáng);劉倫洪;張克危;鄭莉媛;曹劍綿;;李家峽1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)及機(jī)理分析[J];水力發(fā)電學(xué)報(bào);2006年04期

10 彭濤;十三陵抽水蓄能電站地下廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)[J];水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè);2005年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉鑫;水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流固耦合裂紋萌生擴(kuò)展與空化濕模態(tài)研究[D];清華大學(xué);2016年

2 閻宗國(guó);基于動(dòng)載荷識(shí)別和數(shù)值計(jì)算的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性研究[D];中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué);2013年

本文編號(hào)：2680878