大型混流式水機全流道渦系激振軸系耦合回響研究

《大型混流式水機全流道渦系激振軸系耦合回響研究》是依託昆明理工大學，由張思青擔任項目負責人的地區科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：大型混流式水機全流道渦系激振軸系耦合回響研究
• 項目類別：地區科學基金項目
• 項目負責人：張思青
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

以大型混流式水機全流道渦系變遷誘發機組軸系振動為研究對象，基於LES-IBM法建立葉道湍流控制方程，模擬振盪、非定常湍流所形成的雙列葉柵繞流並由此激勵卡門渦、葉道渦、尾水渦帶全流道渦系生長。混用FEM、LES法模擬各旋渦相互激勵下的全流道渦系的變遷過程。組成由四個軸承(上導、下導、水導、推力)約束的軸向振動、徑向彎曲振動及切向扭轉振動三方向多自由度的主軸振動系統。建立各系統的振動方程解析模型，確定系統受簡諧激勵的穩態回響和復頻率回響。研究全流道渦系變遷所引發的壓力脈動在與機組軸系的耦合中所產生的激勵作用，基於ALE對渦系及軸系進行緊耦合模型FEM數值模擬，建立與計算模型相適應的數值算法，探討主軸軸系的振動對流體流動不穩定性所產生的反饋影響，從而闡明大型混流式水輪機全流道渦系渦激機組主軸系統振動回響機理和規律。並通過PIV流場測量和感測器技術測量獲取流動、振動等相關信息，檢驗及完善數值計算。

結題摘要

大型混流式水機全流道渦系激振軸系耦合回響研究項目於2013年1月立項。立項考慮是基於混流式水輪機長期以來一直存在壓力脈動和水力激振所形成不穩定問題，闡明大型混流式水輪機全流道渦系渦激機組主軸系統振動回響機理和規律是該領域關注及研究的重點。 研究以混流式水機全流道渦系變遷誘發機組軸系振動為研究對象，對水機導葉雙列葉柵卡門渦列、轉輪葉片葉道渦及尾水管渦帶形成的渦系相互影響、相互作用進行全流場模擬。研究全流場渦系變遷形成的組合激振力及對機組主軸系統激振的綜合作用。根據水輪機耦合試驗系統上的水輪機木模圖劃分全流道區域格線，生成全流道格線數值模型。完成對水輪機葉片的三維建模，並完成劃分各流道區域的格線，研究格線數量對CFD模擬精度的影響，用進出口壓差作為對比參數，用倍增格線數的方法，對比不同格線密度對壓差的影響，找到適合計算的最佳格線數。使壁面格線y+值滿足模型準則要求。以表面摩擦係數理論計算值為參照，合理選擇格線高度繪製邊界層格線。生成了分析計算所需的高質量的格線。在渦系研究過程中對固定導葉雙列葉柵的卡門渦進行動力學分析並對導葉進行燕尾修型研究，捕獲固定導葉尾跡渦量場。對葉道渦基於歐拉描述法的混合流體無滑移模型，以空化模型，採用經過粘度修正的RNG 湍流模型和壓力修正算法，對混流式水輪機轉輪進行了定常空化湍流數值模擬。對尾水管彎肘部分採用新的投影建模。使尾水管內部流動狀況清晰，獲得更高的精度要求及尾水渦帶。開展了尾水管導流柵形成的振動對軸系系統的影響研究。推導了壓力脈動力與渦帶偏心距之間的表達式。研究了導流柵、渦帶偏心及機組激振之間的聯繫。在軸系激振研究中考慮到水輪發電機組軸向穩態回響和振動回響研究、主切向扭轉穩態回響和振動回響研究、主軸彎曲穩態回響及振動方程。針對瓦斯繼電器誤動對軸系較強的激振影響做相關研究。建立了變壓器振動監測系統並對機組進行了實測數據分析研究，該項目對軸系激振影響有著重要的意義。