（流体机械及工程专业论文）冲击式水轮机喷嘴系统流固耦合计算与分析.pdf

西华大学硕士学位论文 冲击式水轮机喷嘴系统流固耦合计算与分析 流体机械及工程专业 研究生冯凌寒指导教师宋文武教授 冲击式水轮机具有结构简单、使用水头高、安装高程不受空蚀条件限 制、适应流量变幅较大的电站等优点，在河川上游、山区等水头高、流量小 的地区应用非常普遍，是目前我国水利资源开发的主要机型之一，高水头、 大容量、多喷嘴的冲击式是冲击式水轮机研究的主要方向，但随着容量的增 加，喷嘴数的增多，冲击式水轮机内部流动、射流干涉、流固耦合问题等的 研究就显得越来越重要。本论文在总结有关资料的基础上，对冲击式水轮机 性能方面的影响因素、结构要求以及流动特点和未来展望进行了综述，特别 是对多喷嘴结构的流场和结构场进行了详细分析，对喷嘴进行流固耦合计 算，对冲击式水轮机的发展提供一些有价值的参考。 射流的稳定性是影响冲击式水轮机效率和出力以及振动的一个非常重 要的因素。射流不稳定，将会引起机组的振动和噪音，加速水斗的空蚀和疲 劳裂纹的产生，严重的还会造成断斗等重大事故。因此，对冲击式水轮机喷 管内喷嘴与喷针之间的流动情况进行流一固耦合计算，分析其流场与结构场 的相互影响，研究其射流的稳定性提出喷管、喷嘴等流道形状的优秀方案， 对保证冲击式水轮机稳定运行具有着重大意义。 在a n s y s 公司提出的协同仿真环境a n s y s l l 0w o r k b e n c h 中，利用c f x 技术软件对冲击式水轮机的喷嘴与喷针流道进行了三维建模、网格划分以及 数值模拟和计算，分别得到了五种喷嘴和喷针结构模型的流场速度与压力分 布关系以及流动损失情况，通过计算分析，指出了原传统方案的不足，最终 优化出较优的喷嘴喷针几何流道形状，为喷嘴及喷针的结构设计提供了可靠 依据。 西华大学硕士学位论文 同时，论文还利用a n s y s l l 0w o r k b e n c h 中的s i m u l a t i o n 组件进行了结构 静力学、模态以及流固耦合原理的分析，实现了水压力对喷嘴内壁的准确施 加，分析得出了流场对结构场的影响，进行了单向流固耦合计算，得到了喷 嘴的应力分布以及最高应力值点，提出喷管喷嘴等形状的改进措施，为喷嘴 的结构设计强度计算提供了依据，同时还计算了喷嘴的自振频率和耦合频 率，得到准确的频率值及振形，从而得出：水压力和应力对喷嘴的综合作用， 与空气中相比对喷嘴的频率和模态有一定程度的影响，但在低频率区影响并 不明显的重要结论。这些研究成果，对保证冲击式水轮机稳定运行具有重大 意义。 关键词：冲击式水轮机，喷嘴，流固耦合，静力分析，数值模拟 i i 西华大学硕士学位论文 f s ic a l c u l a t i o na n da n a l y s i so fn o z z l es y s t e mi np e l t o n m a j o r ： t u r b i n e f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：f e n gl i n g h a ns u p e r v i s o r ：p r e f s o n gw c n w u i m p u l s et u r b i n ei sv e r yc o m m o ni nt h eu p p e rr e a c h e so fr i v e r sa n dh i g h m o u n t a i n sa n do n eo ft h em a i nm o d e l so fw a t e rr e s o u r c e sd e v e l o p m e n ti nc h i n a , w h i c hh a ss o m em e r i t ss u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，h i g h - h e a d ，t h ei n s t a l l a t i o n h e i g h tf r o mt h ec a v i t a t i o nc o n d i t i o n s ，a d a p t i n gt ot h ep o w e r s t a t i o nw i t ht h ef l o w v a r i a t i o ni sl a r g e ra n ds oo n h i g hh e a d ，h i g h c a p a c i t ya n dm u l t i - n o z z l ep e l t o n t u r b i n ei st h em a i nd i r e c t i o no fr e s e a r c h b u tw i t ht h ei n c r e a s i n gi nc a p a c i t ya n d t h en u m b e ro fn o z z l e s ，t h ef l o w i n go fp e l t o nt u r b i n e ，j e ti n t e r f e r e n c ea n d f l u i d - s o l i dc o u p l i n gp r o b l e mo ft h er e s e a r c hi sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t b a s e do nt h ec o n c l u s i o nt or e l e v a n ti n f o r m a t i o ni nt h i sp a p e r , f a c t o r so ft h e p e l t o nt u r b i n e ，s t r u c t u r a lr e q u i r e m e n t s ，a sw e l la sf l o wc h a r a c t e r i s t i c sa n df u t u r e p r o s p e c t sa r er e v i e w e d e s p e c i a l l y , i tc a r r i e do u tad e t a i l e da n a l y s i so f n o z z l ef o r f l u i d - s o l i dc o u p l i n go nt h es t r u c t u r eo fm u l t i n o z z l ef l o wf i e l d ，w h i c hp r o v i d e d s o m ev a l u a b l er e f e r e n c e t h es t a b i l i t yo fj e ti sav e r yi m p o r t a n tf a c t o rt h a t a f f e c t se f f i c i e n c ya n d o u t p u t 弱w e l la st h ev i b r a t i o no fi m p u l s et u r b i n e 、i n s t a b i l i t yo fj e tw i l lc a u s e v i b r a t i o n , n o i s e ，c a v i t a t i o na n df a t i g u ec r a c k s ，w h i c hw i l lc a u s eas e r i o u s a c c i d e n ts c o o po f ft h et u r b i n e t h e r e f o r e ，a f t e rt h ea n a l y s i so ft h ef l o wi nt h e n e e d l e ，f l o w s o l i dc o u p l i n g ，i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ef l o wf i e l da n ds t r u c t u r ef i e l d ， a n dt h es t a b i l i t yo f j e t ，i t sp r o p o s e dn o z z l e ，f l o w i n gs h a p eo fn o z z l ei nt h ep e l t o n t u r b i n e ，e x c e l l e n tp r o g r a m sa l em a d eo u tt oe n s u r e p e l t o nt u r b i n es t a b l e o p e r a t i o n i na n s y sl1 0w o r k b e n c hs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，b yt e c h n i c a ls o f t w a r e i i i c f x f i v et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l so fn o z z l ea n dn e e d l e ，m e s hg e n e r a t i o n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o nh a v eb e e nf i n i s h e d r e s p e c t i v e l y , w ec a n g a i nf i v en o z z l e ss t r u c t u r em o d e la n dt h en e e d l ej e tf l o ws p e e da n dp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na sw e l la sl o s s e so ff l o wt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ， p o i n t i n go u tt h es h o r t c o m i n g so ft h eo r i g i n a l t r a d i t i o no ft h ep r o g r a m ，a n d u l t i m a t e l yg i v i n gab e t t e ro p t i m i z a t i o no f t h es p r a yn o z z l en e e d l es h a p eo ff l o w c h a n n e lg e o m e t r y , a n dp r o v i d i n ga r e l i a b l eb a s i sf o rt h en o z z l ea n dn e e d l es p r a y s t r u c t u r a ld e s i g n a tt h es a n l et i m e ，i na n s y sl1 0w o r k b e n c ht h i sp a p e r sa l s ou s e sc o m p o n e n t s o ft h es i m u l a t i o no fs t r u c t u r a ls t a t i c s ，m o d a l ，a s w e l la st h ep r i n c i p l eo f f l u i d s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i s a sf o rt h ea c h i e v e m e n to f t h ew a t e rp r e s s u r e o nt h en o z z l ew a l lt oi m p o s ep r e c i s e ，t h ef l o wf i e l da n a l y s i st h es t r u c t u r ei m p a c t o n , ao n e w a yf l u i d s o l i dc o u p l i n gc a l c u l a t i o n ，t h e s t r e s sd i s t r i b u t i o ni nt h e n o z z l ea n dt h ep o i n to fm a x i m u ms t r e s sv a l u e ，s ot h i sp a p e rc o n c l u d e i m p r o v e m e n t st ot h e s t r u c t u r a ld e s i g no ft h en o z z l e ，p r o v i d e st h eb a s i s f o r s t r e n g t hc a l c u l a t i o n , b u ta l s oc a l c u l a t e dt h en o z z l en a t u r a lf r e q u e n c ya n dt h e c o u p l i n gf r e q u e n c y t h ea c c u r a t ef r e q u e n c y v a l u ea n dv i b r a t i o n 。s h a p e dc o m eo u t ， s ow ec a nl e a r nt h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n s ：t oa c e r t a i ne x t e n t ，w a t e rp r e s s u r ea n d s 缸e s so ft h ec o m b i n e de f f e c t so nt h en o z z l ei n f l u e n c et h em o d a lf r e q u e n c yo f n o z z l e c o m p a r e di nt h ea i r b u ti nt h el o w f r e q u e n c ya r e a , t h i si s n o to b v i o u s t h er e s u l to ft h i ss t u d yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe n s u r es t a b l eo p e r a t i o no f p e l t o nt u r b i n e k e y w o r d s ：p e l t o nt u r b i n e ，n o z z l e ，f s i ，s t r u c t u r a ls t a t i c sa n a l y s i s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 两华人学硕i j 学位论文 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我同意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晚明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学攻读硕士研究生期间在导师指导下取 得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。 雠名：硼砰f - 月，多日 新签名昏致叩r 月砷日 两。仁人学顾i j 学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密口，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：冯始 吼硼- 乡 指导教师签名：字参武 日期：删严f 刃 西华大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 1 、四j i i 省教育厅重点项目“灯泡混流式水轮机水力及结构优化设计( 编 号：2 0 0 6 a 0 8 9 ) 2 、昆明电机厂股份有限公司委托项目“六喷嘴冲击式水轮机转轮内部流 动及应力分析研究( 编号：0 7 2 0 4 0 4 2 ) 1 2 研究目的和意义 冲击式水轮机具有结构简单、使用水头高、安装高程不受空蚀条件限制、 适应流量变幅较大的电站等优点，在河川上游、山区等水头高、流量小的地 区应用非常普遍，是目前我国水利资源开发的主要机型之一，高水头、大容 量、多喷嘴的冲击式是冲击式水轮机研究的主要方向，但随着容量的增加， 喷嘴数的增多，冲击式水轮机内部流动、射流干涉、流固耦合问题等的研究 就显得越来越重要。本论文在总结有关资料的基础上，对冲击式水轮机性能 方面的影响因素、结构要求以及流动特点和未来展望进行了综述，特别是对 多喷嘴结构的流场和结构场进行了详细分析，对喷嘴进行流固耦合计算，对 冲击式水轮机的发展提供一些有价值的参考。 射流的稳定性是影响冲击式水轮机效率和出力以及振动的一个非常重要 的因素。射流不稳定，将会引起机组的振动和噪音，加速水斗的空蚀和疲劳 裂纹的产生，迫使机组频繁大修，严重的还会造成断斗等重大事故。因此， 对冲击式水轮机喷管内喷嘴与喷针之间的流动情况进行流一固耦合计算，分 析其流场与结构场的相互影响，研究其射流的稳定性，提出喷管喷嘴等形状 的改进措施，对保证冲击式水轮机稳定运行具有重大意义。 西华大学硕士学位论文 1 3 国内外现状和发展趋势 冲击式水轮机问世一百多年来，其单机容量和效率均大幅度提高，布置 形式已由最初的卧式单喷嘴发展成为立式多喷嘴，效率已高达9 3 以上，最 高水头已达到1 7 7 1 3 m ( 澳大利亚的列塞克一克罗依采克水力蓄能电站) ，最大 出力达到4 2 0 m w 。 随着计算机技术和新材料、新工艺应用，冲击式水轮机在提高比转速和 提高可靠性等方面取得了更大的发展。 我国的冲击式水轮机制造起步于5 0 年代初，直至7 0 年代末所生产的机 型主要为中小型，使用水头大都在5 0 0 m 以下，喷嘴数最多采用到2 个。8 0 年代后开始设计制造8 0 0 m 水头以上的高水头冲击式水轮机，其中有代表性的 为四方洞电站( 设计水头8 3 0 m ) 和天湖电站( 设计水头1 0 2 2 4 m ) ，9 0 年代后投 入运行的大中型冲击式水轮机多采用立轴和2 个以上喷嘴。目前国内关于冲 击式水轮机的设计和应用前景十分广阔，四川巴郎口水电站冲击式水轮机将 是我国自行设计制造的第一台六喷嘴的大容量机组。 传统的冲击式水轮机布置方式以横轴卧式为主，近年来的大中型冲击式 水轮机多数采用竖轴立式结构。大中型冲击式水轮机采用竖轴立式布置在以 下几个方面有着十分明显的优越性： ( 1 ) 更好地实现由电站总引水管向各机组引水管的过渡，避免引水管路不 必要的弯曲造成水流旋转而产生效率损失； ( 2 ) 可在一个转轮上布置多达4 - - 6 个喷嘴，从而提高机组的比转速、效 率和技术经济性指标；， ( 3 ) 将各喷嘴布置在统一水平高度，保证了各喷嘴水力特性相同； ( 4 ) 优化了机组的刚度和结构，使机组具有更好的稳定性和可靠性； ( 5 ) 将转轮和喷嘴布置在厂房地下，可以有效地降低噪声、改善运行环境； ( 6 ) 可方便地实现转轮、喷嘴等易损部件的拆卸，便于机组的安装和维护： ( 7 ) 缩小了厂房的平面尺寸，减少了电站建设时的土建施工量。 近年来，国内外的许多专家学者都对冲击式水轮机的各部件，各方面进 行深入的研究和开发。 2 西华大学硕士学位论文 计算流体力学的发展经历了几个阶段：( 1 ) 无粘性流动数值模拟：2 0 世 纪5 0 年代至8 0 年代，流场的数值模拟主要为无粘性数值模拟。大多把流动 简化为二维不可压势流、准三维或全三维势流，以流函数、势函数和e u l e r 方程为控制方程进行计算。1 9 5 2 年我国吴仲华教授提出的s 1 ，s 2 两类流面通 用理论，对水轮机内部流场的数值模拟产生了深远的影响。( 2 ) 分区考虑粘 性效应的数值模拟：从1 9 8 0 1 9 9 0 年期间，流动数值模拟开始综合考虑流动 的粘性、回流及漩涡对内部流动的影响。此间计算机技术也迅速发展，使得 复杂的数学求解得以实现。( 3 ) 三维粘性流动数值模拟：2 0 世纪9 0 年代开始， 大容量、高速度计算机的出现、矢量机的问世和并行化技术的发展，极大地 推动了计算流体力学的发展。这时人们开始结合湍流模型直接求解雷诺时均 方程，水力机械流场模拟计算进入全三维的粘性数值模拟时期。 近来，在水轮机方面进行流固耦合计算研究越来越深入。流固耦合力学 是流体力学与固体力学交叉而生成的- 1 7 力学分支，它是研究变形固体在流 场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的- 1 7 科学。 流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷 作用下会产生变形或运动，变形或运动又反过来影响流体，从而改变流体载 荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的流一固耦 合现象。 实际上流固耦合问题是场( 流场与固体变形场) 间的相互作用：场间不 相互重叠与渗透，耦合作用通过界面力( 包括多相流的相间作用力等) 起作 用，若场间相互重叠与渗透，耦合作用通过建立不同与单相介质的本构方程 等微分方程来实现。 求解时有两种方式：两场交叉迭代法和直接全部同时求解。流固耦合的 数值计算问题，早期是从航空领域的气动弹性问题开始的，这也就是通过界 面耦合的情况，只要满足耦合界面力平衡，界面相容就可以。气动弹性开始 主要是考虑机翼的颤振边界问题，计算采用简化的气动方程和结构动力学方 程，从理论推导入手，建立耦合方程，这种方法求解相对容易，但适应性较 窄。 现在由于数值计算方法，计算机技术的发展，整个的求解趋向于n - - s 西华大学硕士学位论文 方程与非线性结构动力学。一般使用迭代求解，也就是在流场和结构上分别 求解，在各个时间步长之间耦合迭代，收敛后再向前推进。好处就是各自领 域内成熟的代码稍作修改就可以应用。其中可能还要涉及一个动网格的问题， 由于结构的变形，使得流场的计算域发生变化，要考虑流场网格随时间变形 以适应耦合界面的变形。 不过现在国外比较流行的是系统性的设计问题，数值计算一般已经可以 满足需要。在数值计算的初步估计基础上，通过降维模型( r e d u c e do r d e r m o d e l ) 可以很快的得到初步设计方案，再通过详细的数值计算来验证。 但是，流固耦合计算的最早应用是在土力学中。最早研究流固耦合现象 的是t e r z a g h i 。他首先将可变形、饱和的多孔介质中流体的流动作为流动一 变形的耦合问题来看待，提出了有效应力( e f f e c t i v es t r e s s ) 的概念，并建立了 一维固体模型，它在土力学中得到了广泛应用。b i o t t 2 l 进一步研究了三向变 形材料与孔隙压力的相互作用，并有一些假设，如材料为各向同性、线弹性 小变形，孔隙流体是不可压缩的且充满固体骨架的孔隙空间，而流体通过孔 隙骨架的流动满足达西定律的基础上，建立了比较完善的三维固体理论。尔 后b i o t 又将此理论推广到各向异性多孔介质和动力分析中。从这以后，流固 耦合理论的发展主要围绕着假设不同孔隙材料的模式而得到不同的物理方 程。 进入2 0 世纪9 0 年代，国内学者开始将流固耦合技术应用到水轮机研究领 域，在水轮机过流部件的振动特性及模态分析方面作了一些有益的探索。王 正伟1 等提出了水力机械转轮运行时三维流固耦合振动数值计算的有限元数 学模型，其中以位移一速度势作为连续场变量的计算格式，在流体运动方程中 考虑流动的三维复杂性，使方程更符合流固耦合运动的本质，文中假设液体 无粘性，绝对运动有势，不可压缩及小的流场干扰：叶片在弹性变形范围内， 不计叶片本身阻尼。瞿伦富等采用此模型，计算了轴流式机组桨叶在空气中 振动和在过流通道中流固耦合振动的主频和主振型。 李舜酩1 等对水轮机转轮结构进行力学模型简化并放入水中，形成复杂流 固耦合系统( c 系统) ，推导出了其群即约子空间的广义组合模态质、刚阵，并 推导了流固耦合振动方程。进行模态缩聚，得到了系统液固耦合情况下的固 4 西华大学硕士学位论文 有特性。于建华1 以灯泡贯流式机组为对象，讨论了水介质下的结构的自由振 动的控制方程，着重对动水压力向量及附加质量阵的计算进行了阐述。文中 假设流体为理想流体，采用有限元方法对求解区域和控制方程进行离散，分 析了水介质下的结构的动态特性。 肖若富阳1 等通过对固液界面的压力和法向加速度的分析，并引入虚功原理 的附加质量，得到弹性体在液体中的结构方程，并应用此方程对水轮机固定 导叶在水中的固有频率和固有振型进行解析，对固定导叶在运行过程中产生 的共振进行了分析及预测，此外，还分析了流固耦合作用对水轮机固定导叶 振频振型的影响。在计算中假设液体无粘性、不可压缩及流动无旋。谷朝红口1 等采用有限元法与边界元法相结合的方法来计算水轮机部件流固耦合振动问 题。结构用有限元离散，用边界元计算结构周围的流体。计算中假定流体作 理想的、无粘、无旋且不可压缩的有势流动。编制了流固耦合振动的通用计 算程序，并对轴流式转轮叶片进行了流固耦合计算。 国际上，流固耦合动力学的研究通过向数学、物理学等基础学科借鉴， 与计算机技术相结合，新的研究领域不断涌现，研究和实验手段更加现代化。 流固耦合动力学的研究随时间的推移，- 越来越受到关注。加拿大g e 水电公司 将叶形设计、流场分析和结构分析有机的结合在一起，形成了一套完整的水 轮机转轮开发体系。 近年来，流固耦合计算在水轮机方面应用的越来越多，特别是对混流式 水轮机的过流部件进行流固耦合计算，对混流式水轮机全流道内流场进行了 多工况的c f d 计算，对流场与结构场进行网格划分，保证流固交界面上的节 点一一对应，从而实现了流固交界面上的水压力的精确传递，得到不同工况 下某部件表面水压力载荷，并利用流固耦合方法对某部件在各种工况下的应 力特性进行计算，从而提出相应的新要求，为水轮机在设计阶段就进行优化 提供了可能，但是将型线设计、流场分析和结构分析有机的结合在一起进行 冲击式水轮机结构优化和结构分析的研究还很少，在该领域的研究工作有待 进一步加强。本文就是利用流动分析软件对冲击式水轮机的喷管、喷针与喷 嘴和水流之间的相互影响进行耦合计算，以探讨喷嘴振动与水流运动之间的 西华大学硕士学位论文 规律，提出优化以后的喷嘴过流形状，完善其结构设计对冲击式水轮机的设 计和制造起到积极的指导意义。 1 4 本论文的主要研究内容 对于冲击式水轮机，射流的稳定性是影响冲击式水轮机效率和出力以及 振动的一个非常重要的因素。射流不稳定，将会引起机组的振动和噪音，加 速水斗的空蚀和疲劳裂纹的产生，迫使机组频繁大修，严重的还会造成断斗 等重大事故。因此，对冲击式水轮机喷管内喷嘴与喷针之间的流动情况进行 流固耦合计算，分析其流场与结构场的相互影响，提出喷管、喷嘴等形状的 改进措施，对保证冲击式水轮机稳定运行具有着重大意义。 随着计算机技术的高速发展，计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 发展很快，许多商用c f d 软件在水轮机流数值模拟上的应用也日见 增多。在实验测试手段还不十分完善的今天，研究采用c f d 方法来数值模拟 水轮机各部件的内流特点，从而获得流动特性，这是现代水轮机的重要研究 方法。通过对水轮机内部流动的数值模拟，可以分析、预测其内部的水力特 性。在此基础上，预测流体对固体的影响及它们之间的耦合关系，才能精确 地分析固体域的力学特性。 本文在深入分析冲击式水轮机喷嘴的内部流场流体动力学模型和结构动 力学模型的基础上，确定流道的流体动力学模型及数值模拟方法，喷嘴的结 构静力学模型及其数值模拟方法，并建立了喷嘴流固耦合结构分析的力学模 型。根据流固耦合结构分析的需要，分别建立流固耦合分析中流体域和固体 域的三维几何模型。在对喷嘴的实际受力情况进行深入分析后，考虑到工程 实际情况，确定边界条件。 为了提高分析的可靠性，首先采用以计算流体动力学( c f d ) 软件进行喷 嘴全流道流场数值模拟，计算出作用在喷嘴流道表面上的流体压力分布。再 将流场数值模拟结果传递给喷嘴结构分析，在w o r k b e n c h 中进行有限元( f e m ) 6 西华人学硕士学位论文 结构分析，初步实现了采用流固耦合结构分析( f s i ) 技术对喷嘴进行结构静 力学分析和模态分析动力学分析，掌握其结构的各项力学性能，如刚度、强 度以及模态特性、自振频率等。根据计算结果，验证了该部件的工作可靠性， 为保证喷嘴结构在实际工作中能够安全运行提供了理论依据，也为进一步研 究和开发奠定了理论和技术基础。 7 西华大学硕士学位论文 第二章喷嘴系统结构设计与分析 2 1 冲击式水轮机的结构概述 冲击式水轮机包括切击式( 即水斗式) 、斜击式和双击式三种水轮机型 式。现在常用的是水斗式和双击式，其次是斜击式和环流式。下面仅对水斗 式水轮机进行介绍。 水斗式水轮机由水轮机转轮、喷嘴、偏向器和机壳等组成。如图2 1 1 所示。工作轮由转轮、轮盘和斗叶组成。斗叶均匀分布在轮盘的圆周上。它 是利用从喷嘴中射出的水流动能的部件。能量转化也是通过斗叶来实现的。 因此，斗叶的形状设计和结构设计是十分重要的。它是由两个椭圆曲面所组 成，由分水刃所隔开。当射流冲击在分水刃上时，可以对称地分开。这样可 以消除轴向力，分水尖的夹角y 不宜太大，太大的话就阻碍射流，太小则容 易磨损。一般取y = l o 。1 8 。分水刃相对于水斗边缘略带倾斜度j ，万= 4 。 1 2 0 。射流这样接触分水刃时接近于直角。斗叶必须有足够大小和深度，使水 流能够平滑的转弯将近1 8 0 。，而损失最小。为了使前面斗叶不阻碍射流冲击 后面的斗叶而充分利用射流能量，在斗叶的尖端留有缺口。同时，为了使前 一斗叶射出的水流不致碰到后一斗叶的背面，要求转轮出口边与旋转平面之 间成一夹角= 4 0 7 0 。 喷嘴是由管嘴和针闼组成，如图2 1 2 所示，喷嘴前端是进水管，针阀的 作用是控制流量。除斗叶外，喷嘴也是影响效率的一个因素。因此，要求喷 嘴提供良好的射流性能，即射流流束本身是密实的，这就要求水流尽可能密 直和均匀，否则会引起水流旋转，既破坏了射流的质量，而且在管帽内腔和 针阀尖端形成其空蚀现象。磨损或损坏了的针阀必须换掉，否则就扰乱了射 流的均匀性和密实性。小型水轮机的针阀可用手调节，大型的则自动调节。 偏流器或切流器是在喷嘴出口处设置的一个可以转动的曲面板，当机组 西华大学硕士学位论文 丢弃负荷时，为了不使机组在飞逸状态下运行，可以通过它迫使射流部分转 向或全部切断，这样射向斗叶的流量减少或为零。偏向器在完成上述动作时， 只需要1 - - 2 秒钟，因此其位置适中与射流保持一个很小的距离( 般为2 4 m m ) 。在偏流器或切流器工作的同时，调速器操作针杆，使其缓慢的( 5 1 0 秒钟) 进行关闭。一般大中型机组用切流器，小型机组用偏流器。 f i g2 1 1h o r i z o n t a l - s h a rp e l t o nt u r b i n es e c t i o np l a n 图2 1 1横轴水斗式水轮机剖面图 f i 9 2 1 2n o z z l es t r u c t u r e 图2 1 2 喷嘴机构 机壳主要是把转轮隔罩起来，防止水流向外飞溅。在机壳内部装有反射 板( 引导从斗叶流出的水流落入尾水渠道，不致让它向上飞溅，以影响水轮 机的工作：同时，当机组产生飞逸时，一部分射流来不及射到斗叶上，而直 接射到反射板上，所以反射板应有一定的强度) 、制动喷嘴等装置。小型水 轮机的喷管与轴承也装在机壳上。机壳与轴的结合部必须装置止漏环，以防 9 西华大学硕士学位论文 止水点喷漏到机壳外面。 水斗式水轮机的安装可以横轴，也可以是竖轴，前者用的更为广泛， 因 为，这种形式允许采用几个转轮，这样在维持单个转轮比转速不变的情况下， 可以获得更高的转速，减小转轮直径，其经济价值就显得更为突出了。 水斗式水轮机的安装高度尽可能的低( 因无尾水管) ，以达到充分利用电 站水头之目的，但也不能太接近下游水面，否则会受下游水面的漩涡和波动 影响，使效率降低。其安装高度可按下述方法选取。 对立式机组，在通常情况下应保证水轮机中心矩尾水位高度h 。= d ( d 。 为工作轮的节圆直径) 对卧式机组，根据结构和设计的可能性及下游水面波动情况，水轮机的 斗叶距尾水位高度h = 0 5 3 米，尽可能取小值。 传统的冲击式水轮机布置方式以横轴卧式为主，近年来的大中型冲击式 水轮机多数采用竖轴立式结构。大中型冲击式水轮机采用竖轴立式布置在以 下几个方面有着十分明显的优越性。具体表现在以下几个方面：更好地实现 由电站总引水管向各机组引水管的过渡，避免引水管路不必要的弯曲造成水 流旋转而产生效率损失：可在一个转轮上布置多达4 - 6 个喷嘴，从而提高机 组的比转速、效率和技术经济性指标i 将各喷嘴布置在统一水平高度，保证 了各喷嘴水力特性相同；优化了机组的刚度和结构，使机组具有更好的稳定 性和可靠性；将转轮和喷嘴布置在厂房地下，可以有效地降低噪声、改善运 行环境；可方便地实现转轮、喷嘴等易损部件的拆卸，便于机组的安装和维 护；缩小了厂房的平面尺寸，减少了电站建设时的土建施工量。 近年来，国内外的许多专家学者都对冲击式水轮机的各部件，各方面进 行深入的研究和开发。 2 2 冲击式水轮机的基本理论 反击式水轮机的工作过程主要是通过进出口的压力变化来实现的；而冲击 l o 西华大学硕士学位论文 式水轮机进出口的压力不变，所以它的工作过程是通过射流的喷出动能的变 化来实现的，由此，也就导致了其能量转换的基本方程式的差别。 2 2 1 用动量定理推导水斗式水轮机的基本方程 如图2 2 1 所示，。为从喷嘴射出的液流速度；u 为转轮旋转的圆周速度； w 1 为液流进口处的相对速度；w 2 为液流出e l 处的相对速度；d o 为射流直径， v 0 为射流速度。由于现代制造工艺的发展，水斗表面可以做得很光滑，因此， 水流在水斗内的摩擦损失很微小，在分析作用力时，可以忽略不计，这样液 流喷嘴射出冲到水斗上后，由于在水斗上液流运动方向改变的结果，则产生 了液流的动量变化。根据能量传递原理，可以得到水斗上的作用力以及由此 相对于转轴的力矩和由力矩产生旋转的有效功率。 f i g2 2 1v e l o c i t y a n a l y s i so fp e l t o nt u r b i n e 图2 2 1 水斗式水轮机速度分析 由图2 2 1 看出，射流的运动方向沿x 轴线方向，在射流冲到水斗的瞬间， 水斗运动方向与射流方向相同，则此时的圆周速度( 对水流而言的牵连速度) u 亦与射流方向同。而水轮机是匀速转动的，由力学知，该质点运动的绝对速 度的方向和大小、等于相对速度与牵连速度的适量和，即： v = “+ w ( 2 - 2 1 ) 设射流流量为q ，由于水斗二分瓣对称，所以通过二分瓣的流量各一半， 在不考虑容积损失的情况下，则经一段时间衍进入水斗上的水流质量与在流 出转轮水斗上的水流质量相等，均为所。由于斗叶以速度u 沿射流方向运动， 西华大学硕士学位论文 则水流在斗叶上的运动为相对运动，其流速亦为相对流速。其方向和大小如 ( 2 2 1 ) 式。又由水斗式水轮机工作过程知：“，= “，。 以射流为研究对象分析，设其在圆周方向上出时间内所受外力为r ，在 圆周方向上列动量方程： r d t = m w 2 。一所w i 。 ( 2 2 2 ) m = p q d t ( 2 2 3 ) 有 r d t = - p q d t ( w 2c o s 厦+ w 1 ) r = 一p q ( w 2c o s 厦+ w i ) 进口速度三角形 出口速度三角形 2 三3 7 f i g2 2 2v e l o c i t yt r i a n g l e 图2 2 2 速度三角形 所以，转轮所受冲击力力：f = - 一r = 艘( w 2 c o s 反+ w 。) ( 2 2 4 ) 转轮出力：n = f u = p o u ( w 2c o s 屐+ h ) ( 2 2 5 ) 基本方程：n = p a u w ( c o s 及+ 1 ) 、( 2 2 6 ) 由( 2 2 6 ) 可知：当值最大时有 及= 0 堡! ! ：型：d u ( v o - u ) ：0_ _ _ _ _ _ 。_ - 一= _ _ - _ - - _ - - _ _ _ _ 一：= 即：履= o b “= 此时转轮出力最大 但是履0 ，否则会影响效率，一般“= ( o 4 3 0 4 7 ) v o 1 2 西华大学硕上学位论文 2 2 2 由欧拉方程推导基本方程 g 租= “i i ；u i u 2 屹2 咖 “i 2 u 22 “ v u l2v l 1 ，2 = u 2 一w 2c o s 履= u 一心c o s 履 带入式( 2 2 7 ) 则有 9 7 7 - = 叭一u ( u w 2c o s 屐) = u v l u 2 + u w 2c o s 厦 = u ( v l u + w 2 c o s 及) = “( w l + w 2c o s 反) = “w ( 1 + c o s 履) 转轮出力n = 偌q 7 心 = 触1 w ( 1 + c o s 厦) 2 2 3 引入速度系数少= 兰对水斗式水轮机基本方程进行推导 v l ( 2 2 - 7 ) ( 2 - 2 - 8 ) 设相对入流角与相对出流角分别为屈与以，绝对入流角与绝对出流角分 别为q 与o f ：，e 为射流在圆周方向上所受力，以射流对象在圆周方向上列动 量方程，则有 冗a t = ) q a t ( 一w 2 。一w l 。) ( 2 - 2 9 ) f i g2 2 3b a s i cp r i n c i p l eo fp e l t o nt u r b i n e 图2 2 3 冲击式水轮机的基本原理 西华大学硕士学位论文 w lz ：v 。：一2 v 。s 口。乓：生蔓毫坐幽 uv i a k “ 岢沙= 一 1 ，i 而 詈2 瓜丽 w l = v l 1 + 缈2 2 i g c o s 9 1 。畅 所以：w l 。= ，l 1 + y 2 2 y c o s 口lc o s 了i ( 2 2 1 0 ) w 2 。= ，l , 1 + 沙2 - 2 i v c o s a lc o s 厦 ( 2 2 1 1 ) 将( 2 - 2 - 9 ) 和( 2 - 2 - 1 0 ) 带入式( 2 - 2 - 9 ) 则有： e = 一p q m 1 + y 2 2 v c o o s f z l ( c o s 届+ c o s 以) 则，转轮所受力r 。= 一f 出力n = - - r 。“= 砂i u , 1 + 缈2 - 2 9 c o s c z l ( c o s f l , + c o s 履) = p q v l 2 y l + y2 2 c o s c r i ( c o s , 6 1 + c o s 殷) ( 2 2 一1 2 ) 其中v l = 伊4 2 9 z y ，n = p g q q n 得冲击式水轮机的基本方程 ，7 = 2 c p 2 沙1 + i f ，2 2 l y c o s c r l ( c o s f l l + c o s f l 2 ) ( 2 2 1 3 ) 实际流体在流过水斗表面时存在水力损失，具体反映在出口相对速度的 降低，令= 饥带入到式( 2 2 1 3 ) ，则有 r = 2 c p 2 f ，l + 少2 - 2 9 c o s a i ( c o s , 6 , + 孝c o s 履) ( 2 2 1 4 ) 其中 为射流在水斗表面上的能量损失系数，于是式( 2 - 2 - 1 3 ) 为冲击式 水轮机的基本原理方程。必须指出，公式中的效率为无限多个水斗的冲击式 水轮机基本原理模型最高效率的普遍表达式。 对于水斗式水轮机而言，射流入射角= 0 ，屈= 0 ，基本原理方程 ( 2 - 2 1 4 ) 简化为 r = 2 ( p 2 沙( 卜y ) ( 1 + 孝c o s p 2 ) ( 2 2 1 5 ) 基本原理方程中，左右模型水轮机效率的自变量甚多： i = 厂( 缈2 ，f ，口，屈，厦) 式中：矽2 喷嘴效率，通常都大于0 9 7 1 4 西华大学硕士学位论文 反水斗出水角，力求最小，设定为5 。 f 水斗表面摩擦阻力系数，设定为0 9 9 局由与y 确定( 由三角形关系) s i n p , ：下竺! l 一 1 + 2 2 c o s a i 于是，水轮机效率仅为速度比与射流入射角色的函数，即 r = 厂( 缈，：) 。由此得出冲击式水轮机原理模型效率的数值解。 2 2 4 冲击式水轮机水斗