基于流固耦合的液力透平叶轮应力应变特性分析.pdf

2023年第5期小原术基于流固耦合的液力透平叶轮应力应变特性分析*李玉海郑文贤1汪程鹏2,3王生辉2.3张彦4周冲1李嘉成（1长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，西安710064;2自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所，天津律30 0 19 2;3一天津市蓝十字膜技术有限公司，天津300192；4比亚迪汽车有限公司，西安710018)摘要：为提升超高转速液力透平运行可靠性，开展透平叶轮0.7 Q、0.8 Q、1.0 Q、1.2 Q 四种流量工况下的稳态流固耦合和瞬态流固耦合数值模拟，分析流场作用下的叶轮应力应变响应及分布特征。结果表明，不同流量工况下，稳态流固耦合与瞬态流固耦合数值模拟的最大等效应力均分布在叶片根部，最小等效应力分别分布在前后盖板的边缘和叶片进口的中间区域；随着流量增大，稳态流固耦合与瞬态流固耦合数值模拟规律相似；叶轮最大总变形量随着流量增大而增大，且最大总变形区域由后盖板向叶片根部中间区域转移。关键词：液力透平叶轮流固耦合应力应变中图分类号：TK730文献标识码：A液力透平是将压力能转换为机械能的核心部件，叶轮叶片在超高运转过程中受到水压载荷、重力及离心力的影响，叶片极易发生变形甚至破坏，给整机的安全性和可靠性带来了极大的危害。为减小流动损失、提高水力效率，叶片设计越来越薄，致使叶片变形和振幅增大，叶片进口边与上冠下环处应力急剧增大。作用在叶片上的残余应力、静应力和振动交变动应力及其作用下的叶轮叶片在短期内出现表面微裂纹及穿透性裂纹，对机组安全运行构成威胁 2-3。O研究发现，动应力的主要来源是机组偏离设计工况的稳定流动及过渡工况下的不稳定流动，主要包括尾水涡、叶片和活动导叶出水边的卡门涡、转轮叶片间的叶道涡和动静干扰等 4。李建锋等 5通过ADINA软件中的流固耦合模块，得到了转轮的应力应变、流场压力和速度分布。肖若富等 6 研究了不同工况条件下叶片受到的最大静应力位置变化情况。刘志远等 7 对单向流固耦合方法做了系统的介绍，进行了单向流固耦合分析。杜子学*基金项目：天津市自然科学基金重点项目（2 0 JCZD JC0 0 46 0）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（K-JBYWF-2021-T07，R-JBY WF-2021-T02)等 8 通过单向流固耦合方法研究了叶片的结构强度和模态振型之间的影响。LEE等 9 进行了轴流泵内流场动静耦合模拟计算。刘小兵等 10 得出动水压力载荷和粘性载荷共同影响下，转轮振动频率会出现下降的趋势。罗永要等 完成了混流式水轮机转轮不同工况下的静应力情况。张立翔等 12 研究了混流式水轮机转轮叶片流固耦合振动特性及叶片在水中的动力特性。王福军等 13基于计算流体动力学与计算结构动力学的耦合分析方法，建立了非定常条件下耦合问题的控制方程及其定解条件，是大型水轮机优化设计与技术改造的有效工具。夏斌等 14通过数值模拟得到轴流泵内部的流态，并以流场计算结果为基础建立轴流泵叶轮、转子模型，对叶轮内流场与转子进行了流固耦合数值模拟，分析叶轮部件的受力与变形情况，为轴流泵的安全运行提供依据。王维等 15采用静应力有限元分析与流固耦合对多级离心泵的叶轮结构强度及刚度进行校核，有助于找到叶轮工作时产生最大应力的位置，以消除应力集中，确保了样机工作的可靠性。邢景棠 16 综述了线性与非线性流固耦合问题数值方法的进展及工程应用，并将数值分析结果与可用的试验或计算结果作了比较。综上，叶轮稳态条件下流固耦合计算相关研究较多，非定常流固耦合研究较少，为提升装置的整2023年第5期小原技术体性能，对超高转速液力透平叶轮进行稳态和瞬态的单向流固耦合分析，对液力透平的开发与应用提供设计依据。1物理模型及边界条件1.1物理模型与材料属性本文的透平叶轮水力模型为二维叶片，采用UG三维建模软件对叶轮域建模。计算域包括前盖板、叶片、后盖板三部分，如图1所示。额定转速12000r/min，叶轮叶片数为8。叶轮模型材料的具体参数如表1所示。1.2网格与边界条件采用ICEM软件进行网格划分，网格选用六面体结构来提高计算精度。在六种试验工况下对透平进行数值模拟，得到透平水力效率与网格数的关系曲线，如图2 所示。当全流道计算域网格数量在图1叶轮模型表1叶轮材料属性材料E/GPap/(kg/m)Ob/MPaa,/MPa316不锈钢1857.98 1030.362031079.078.578.077.577.076.576.0-75.575.0+060120180240300360网格数/10 4图2透平全流域网格无关性检验及叶轮域网格200万以上时，模型网格的数量变化对仿真性能的影响微小，最后确定叶轮域网格数为9 0 万，并且在动静结合处采取局部加密技术进行网格加密，确保仿真计算的可靠性。在0.7 Q、0.8 Q、1.0 Q、1.2 Q 工况下，利用ANSYSWorkbench集成环境搭建CFX与StaticStructural的单向耦合模块，对透平叶轮进行稳态流固耦合和瞬态流固耦合数值模拟，分析研究叶轮的应力应变，探究流固耦合对液力透平的影响规律及作用机理，具体流程如图3 所示。叶片整体在前后盖板之间旋转，叶轮旋转受到离心力的作用，离心力的大小与转速相关，因此施加转速n=12000r/min，前盖板与轴的连接处为固定约束（Fixed Support），后盖板为悬空状态，透平在实际运转过程中，叶轮所受到的重力方向与布置方式有关，本文中透平实际工作姿态如图4所示。故重力的方向应沿着叶轮模型的径向，添加标准重力加速度g=9.81m/s，最后导人CFX计算的压力载荷数据，且压力载荷数据传递的交界面仅为8个叶片表面，所有边界条件的施加如图4所示。稳态、瞬态流场数值计算稳态计算定义初始流体域边界条件瞬态计算物理模型运行程序稳态、瞬不同时刻压力完成耦合态结构场表面压力计算对比分析结构域定义材料、约束添加载荷和耦合面（重力、离心力）结构静力学计算图3流固耦合流程2023年第5期8小原技术压力载荷数据固定支撑n=12000r/min悬空g=9.81 m/s2图4液力透平摆放位置及载荷施加2稳态流固耦合数值计算对透平在四种典型工况下进行全流道定常数值模拟，将CFX定常计算的叶轮压力导人ANSYSWorkbench的静力学计算模块StaticStructural中，计算透平叶轮模型在四种典型工况下的应力应变。2.1应力分析图5为不同流量工况下叶轮的应力分布图。从图中可以看到，不同流量工况下叶轮模型中应力分布相似，最小应力分布在前后盖板的边缘部位，最大应力均出现在叶片与前后盖板连接处的出水边。不同流量工况下的最大应力均小于叶轮材料的屈服强度，随着流量增大，叶轮的最大应力呈减小的趋势，在0.7 Q工况下的等效应力最大值是1.2 Q工况下等效应力最大值的115.7 9%22.2应变分析2.2.1总变形图6 为不同流量工况下叶轮的总变形分布图。从图中可以看到，在不同流量工况下，叶轮模型的总变形量随着流量的增大呈现增大的趋势，最大变形量所在的分布区域有所不同。在小流量工况下，总变形量大的区域分布在后盖板上，且最大总变形量数值基本相同；在1.0 Q和1.2 Q工况下，最大总变形量出现在叶片根部，在1.2 Q工况下总变形量是1.0 Q工况下总变形量的16 9%。在不同流量工况下，最小总变形量均在前盖板的中心区域。2.2.2周向变形图7 为不同流量工况下叶轮的周向变形分布图。从图中可以看到，不同流量工况下，叶轮模型的周向变形分布相似，随着流量增大，与叶轮旋向相反的周向变形逐渐增大且分布在叶根中部区域，1.2Q工况下的周向变形量是0.7 Q工况下周向变形量的141.18%，然而与叶轮旋向一致的周向变形逐渐减小且分布在叶片进口中间区域，0.7 Q工况下的周向变形量是1.2 Q工况下周向变形量的12 5%。等效应力/MPa等效应力/MPa等效应力/MPa等效应力/MPa166675176.67最大171.9最大格小2163.48最大152.8最大157.07173.99152.83145.34135.851522137.47大之0.00826133.75127.2160.07118.89最天02269117.86114.680.54114109.06最大2101.94小1719小98.26195.605最大门90.91804752184.98278.65876.53172.777小0.5076568.02659.05657.457169.354.636小251.0739.453176.6738.382最大236.494163.4834.1140.2357报大小152.819.85119.30818.35317.159最大0.24786最小0.23315最小0.21156最小0.20287最小(a)0.7Q(h)0.8Q(c)1.0Q(d)1.2Q图5不同流量工况下的应力分布图总变形/mm总变形/mm总变形/mm总变形/mm0.006106_最大0.0060773最大图0.0 0 7 0 6 9 3 最大0.012145最大0.00542750.0054020.00628380.0107960.00474910.00472680.00549830.00944650.00407070.00405150.00471280.0080970.00339220.00337630.00392740.00674750.00271380.0027010.00314190.005.3980.00203530.00202580.00235640.00404850.00135690.00135050.00157090.0026990.000678440.0XX0675250.000785470.00134950最小0最小0最小0最小(a)0.7Q(b)0.8Q(c)1.0Q(d)1.2Q图6不同流量工况下的总变形分布图2023年第5期小原楼术Y轴变形/mmY轴变形/mmY轴变形/mmY轴变形/mm0.0015087最大0.0014721最大照0.0 0 140 2 5最大0.0012054,最大0.00115590.00111520.00102720.000800150.000803140.000758390.000651810.000394880.000450360.000401550.00027646-1.0398e-59.7589e-54.4708e-5-9.8882-5-0.000415670.00025519-0.00031213-0.000474230.000820950.00060796-0.00066898-0.00084957-0.0012262-0.000960740.00102580.0012249-0.00163150.0013135-0.0013827-0.0016003-0.0020368-0.0016663最小-0.0017395最小-0.0019756最小-0.002442最小(a)0.7Q(b)0.8Q(c)1.0Q(d)1.2Q图7不同流量工况下的周向变形分布图3瞬态流固耦合数值计算3.1应力分析图8 为不同流量工况下叶轮的应力分布图。由图可知，随着流量增大叶轮模型中的等效应力逐渐减小，0.7 Q流量工况时等效应力的最大值是1.2 Q流量工况时等效应力最大值的115.14%。3.2应变分析3.2.1总变形图9 为不同流量工况下叶轮的总变形分布图。由图可知，随着流量的增大，叶轮模型中最大总变形量逐渐增大，1.2 Q工况下的总变形量是0.7 Q工况下的2 0 0%；在小流量工况下，最大总变形量的数值基本相同且分布规律相似，均在后盖板上呈现圆环带状的分布形式；在额定流量和大流量工况下，最大总变形量分布在叶片根部。3.2.2周向变形图10 为不同流量工况下叶轮的周向变形分布图。由图可知，不同流量工况下的周向变形规律相似。首先，随着流量的增大，叶根部位的周向变形量逐渐增大，1.2 Q工况下的周向变形量是0.7 Q工况下的156.2 5%，且叶根周向变形量所在区域的形变方向与叶轮旋转方向相反；其次，随着流量的增大，与叶轮旋转方向一致的最大周向变形量逐渐减小，0.7 Q工况下的周向变形量是1.2 Q工况下的115.38%，且均分布在叶片进口的中间区域。等效应力/MPa等效应力/MPa等效应力/MPa等效应力/MPa130-32最大最大160-47最大图151：49 最大大#174:43最大0.45982151.42142.67057.78155.07小134.68最大151.49135:72132.52170.32124.86大大117.87设大0.4290116.36174.43113.62最大107.05101.06小160.4797.01194.72589.24784.251170.19大馆0.4578377.65775.826最大之71.4467.4458.30374.2456.92753.63350.629148.1138.95最大238.02835.82633.818最大06071819.59619.12918.01917.008小20.2422最小0.22956最小0.21219最小0.19679最小0.35926小(a)0.7Q(b)0.8Q(c)1.0Q(d)1.2Q图8不同流量工况下的应力分布图总变形/mm总变形/mm总变形/mm总变形/mm0.0060725最大0.0060958最大0.0074639最大0.012221最大0.00539780.00541850.0066.3460.0108630.00472310.00474120.00580530.009.5050.00404840.00406.380.00497590.00814710.00337360.00338650.00414660.00678930.00269890.00270920.00331730.00543140.00202420.00203190.0024880.00407360.00134950.00135460.00165860.00271570.000674730.000677310.000829320.00135790最小0最小0最小0最小(a)0.7Q(b)0.8Q(c)1.0Q(d)1.2Q图9不同流量工况下的总变形分布图（收稿日期2023-07-03)2023年第5期10小原枝术Y轴变形/mmY轴变形/mmY轴变形/mmY轴变形/mm0.0015495最大0.001541_最大0.0013811最大0.0012912,最大0.00119450.00117870.00100230.000873640.000839370.000816350.000623480.000456030.000484290.000454030.000244663.843e-50.00012929.1715e5-0.00013415-0.000379170.00022588-0.0002706-0.00051297-0.00079678-0.000580970.00063292-0.00089178-0.0012144-0.00093606-0.00099523-0.0012706-0.001632-0.0012911-0.00135750.0016494-0.00204960.0016462最小-0.0017199最小-0.0020282最小-0.0024672最小(a)0.7Q(b)0.8Q(c)1.00(d)1.2Q图10不同流量工况下的周向变形分布图4结论（1）在不同流量工况下，叶轮稳态最大等效应力均分布在叶片根部，叶轮瞬态最大等效应力均分布在叶片根部和前后盖板的连接处，最小等效应力均分布在叶片进口的中间区域。（2）随着流量增大，稳态流固耦合数值模拟下，与叶轮旋向相反的周向变形逐渐增大，与叶轮旋向一致的周向变形逐渐减小，瞬态流固耦合与稳态流固耦合数值模拟规律相似。（3）叶轮模型中最大总变形量随着流量增大而逐渐增大，且变形区域从盖板向叶片根部转移。参考文献1秦承鹏，朱红波，王鹏，等水轮机转轮叶片力学分析研究J热力发电，2 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