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基於CFD的軸流式葉片有限元分析

發布於:2019-10-08 19:44
有限元分析

      近年來,水輪發電機組的容量、尺寸及比轉速不斷提高,對葉片情的剛強度要求也日益提高。軸流式轉輪的葉片是懸臂結構,在工作過程中要承受離心力,水壓力等的共同作用,以及焊接轉輪的應力、加工應力等,其應力狀況較複雜,而且,實際工作中轉輪的工作環境惡劣,不但要經曆啟動,停機,還經常在非設計工況下運行。在這些況下,水輪機葉片經常受各種因素造成的穩定的和非穩定的水流激振力及變化的離心力等,由於這些因素的激振作用,使得水輪機葉片產生振動,而長時間的機組振動可能引起結構的疲勞破壞,並且激勵源頻率與水輪機結構在水中的固有頻率接近或相同時可引發共振,在共振條件下極易引起結構的破壞,葉片裂紋問題明顯增多。如三門峽和富春江的葉片,都出現了不同程度的葉片裂紋。因此,在工程實際中,對轉輪葉片的剛強度有限元分析顯得越來越重要,尤其對於分析水輪機葉片裂紋的事故並防止其發生,具有重要作用。   
      目前,工程中在軸流式轉輪的剛強度分析中,多采用簡化的方法將轉輪區域內的水壓力等效至葉片表麵,以此作為荷載對葉片進行剛強度分析。本文提出了一種基於流動分析的方法對葉片進行剛強度分析。首先對轉輪區域內的流體運動進行數值模擬,計算葉片的穩態水壓力,得到反映實際情況的葉片表麵真實應力分布,將此應力分布加載至剛強度分析的葉片模型表麵,然後進行葉片的剛強度分析,這種方法能夠真實反映葉片表麵的受力狀態,因而具有較為重要的工程實用價值。
      水輪機通道內,水流作用在葉片上,從而形成了水輪機葉片的表麵載荷,因此需要確定葉片上水壓力的分布情況,葉片表麵水壓力計算是在水輪機轉輪內部流場計算基礎上進行的,而葉輪機械內部流場是非常複雜的三維紊流流動。本文采用以下基於雷諾時均的N-S方程和k紊流模型,采用有限體積法和非結構化網格,模擬了軸流式轉輪內的流動。(1)對於定常不可壓粘性流體,(2)計算模型與網格    本文的分析對象為軸流式轉輪,根據流動的對稱性,取一個葉片周期作為數值模擬的實體模型,將整個流場分為三部分,進口靜止部分,轉輪轉動部分和出口靜止部分,分別采用非結構化網格技術,進行網格劃分:並在葉片區域采用局部加密技術。動靜部分之間采用GGI (General Grid Interfaces)拚接網格技術,這樣采用坐標係變化的連接模式固定轉動部分,可以保證各部分之間流場變化的交換是直接的,並且不用產生附加誤差的插值。
      對於給定荷載的葉片剛強度分析,一種較為有效的方法就是有限元方法。有限元分析就是要確定所剖分的單元的剛度矩陣和質量矩陣,然後利用結構的動力平衡條件和邊界條件將各個單元按原來的結構重新聯結起來,形成整體的有限元方程。    在進行有限元分析之前,必須建立合理的水輪機葉片三維實體模型。水輪機葉片的幾何形狀很複雜,是一種空間扭曲型曲麵,本文采用三維造型軟件來建立水輪機葉片三維有限元分析模型,在此過程中實現建模的參數化和自動化。


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