混流式水轮机转轮动载荷作用下的应力特性

许多大型水轮机投产后短期内都出现了不同程度的裂纹问题,研究表明动应力值较大是引起转轮叶片产生疲劳裂纹的主要原因之一。该文对万家寨二号机组转轮进行了流固耦合计算,发现较大应力区与实际裂纹出现的部位基本一致。接着进行了动载荷作用下转轮的瞬态动力分析,采用Newmark算法得出了导叶开度变化时转轮的应力分布,当动载荷变化频率较大时,算出动应力大致在15～20MPa左右,与经验值比较接近。这些结果印证了动应力值过大是叶片产生裂纹的主要原因,从而为水轮机在设计阶段就进行优化提供了可能。     

含轮缘间隙的轴流转桨式水轮机不同工况下的数值分析

通过采用CFD计算软件,求解基于k-ε紊流模型的Navier-Stokes方程,建立轴流转桨式水轮机转轮部分的数值计算模型。对在不同的桨叶角度和各导叶开度下含轮缘间隙的轴流转桨式水轮机内部流动特性进行全面系统的数值计算,阐述了不同工况下流域内的流场分布和轮缘间隙处的流线分布,并分析了轮缘间隙对水轮机内部流动特性的影响。为进一步提高轴流转桨式水轮机性能和电站的稳定运行提供依据。     

水轮机动应力测量仪的研制

研制了一种全新的动应力测量仪,采用电池供电的测量仪主机安装在水轮机大轴上随转轮一同旋转,由手持无线电遥控器控制测量仪的电源开关、采样启/停,监视测量仪的运行状态.应力测量数据暂存在测量仪中大容量电子磁盘中,在机组停机的间歇取出测量数据.这种测量方案彻底解决了多通道高频率采样中大数据量信号传输、电池供电与长时间在线测量的矛盾,以及电磁干扰影响测量数据、电桥平衡等许多难题.该测量仪成功实现了对大朝山6号机组转轮叶片的动应力测量.     

岩滩水电厂水轮机转轮动应力测试

通过动应力测试,得出水轮机转轮叶片的动应力变化规律,结果表明：动应力过大是引起岩滩水电厂３＃机组转轮叶片产生疲劳裂纹的主要原因之一。     

轴流式叶片的流固耦合振动特性分析

采用流固耦合技术，求解流体与固体的耦合方程，对轴流式叶片进行了振动特性分析，分别计算了叶片在空气中和水中的固有频率；并比较了轴流式叶片在空气中与水中固有频率的变化，分析了叶片在水中的振型。结果表明，叶片在水中的各阶固有频率较其在空气中均有所降低，且其降低程度具有非线性的特点。通过对轴流式叶片在水中八阶模态图的分析，表明了轴流式叶片外部靠近出水边的地方较为敏感。     

水轮机特性的神经网络建模

针对水轮机特性难以用数学方法解析表达的问题，研究用神经网络对水轮机特性进行建模，并给出了具体步骤.水轮机单位流量和单位力矩特性的BP神经网络模型能真实地表达水轮机的非线性特性，且解决了插值法的导数不连续问题，从而改善了水击计算的收敛性，为用于工程计算和科学分析的水轮机特性表达开辟了新的途径.计算实例说明了该方法的有效性和实用性.     

提速客车转向架构架动应力频谱特性分析研究

以ＣＷ－２００型转向架为研究对象，根据提速试验时的动应力实测数据，对构架动应力的频谱特性进行了分析研究．首先根据各测试点的动应力测试结果整理得到构架动应力较大的部位，然后分析了在不同速度、不同路况条件下这些部位频谱特性的变化规律；同时，采用有限元方法计算了构架在弹性约束下的模态，并对构架的应力响应与结构动态特性之间的内在联系进行了初步探讨．     

桨叶调节对轴流式水轮机甩负荷特性影响研究

提出了轴流转桨式水轮机模型甩负荷过渡过程三维非定常数值模拟方法,采用动网格及网格重构方法实现了甩负荷过程中导叶和桨叶的动态关闭过程,获得了相关工作参数变化规律和内部流场变化情况.结果表明:计算得到的转速和测点静压变化规律与模型试验结果较一致,最大转速误差约为1.8%,验证了三维数值模拟方法的可靠性;当甩相同负荷,导叶采用相同关闭规律时,导叶关闭规律对参数变化起着决定性作用;最大向上轴向力出现在导叶关闭结束时刻,合理设置导叶关闭分段点位置将有效改善过渡过程品质;桨叶小角度关闭对抑制转速上升和压力波动作用不明显,反而会加剧轴向力波动和最大向上轴向力值,从降低最大向上轴向力防抬机角度,桨叶保持不动比桨叶小角度关闭更有利.本研究实现了桨叶与导叶双重调节的动态仿真.     

轴流转桨机组桨叶液固耦合振动特性仿真计算

以流滩坝灯泡贯流转桨机组转轮桨叶为例,从推导的转轮叶片液固耦合运动方程出发,计算了轴流机组桨叶在空气中振动和在工作流道中液固耦合振动的主频和主振型,并对流滩坝电站桨叶在稳定运行中产生共振的可能性进行了分析。转轮叶片在工作流道中的主频、主振型和共振特性分析是机组安全运行不可缺少的研究内容,该文在理论计算方法上有别于原有的方法。给出的计算方法适用于其它类型叶片的液固耦合振动特性分析。     

Dynamic Stresses in a Francis Turbine Runner Based on Fluid-Structure Interaction Analysis

Fatigue and cracks have occurred in many large hydraulic turbines after they were put into production. The cracks are thought to be due to dynamic stresses in the runner caused by hydraulic forces. Computational fluid dynamics （CFD） simulations that included the spiral case, stay vane, guide vane, runner vane, and draft tube were run at various operating points to analyze the pressure distribution on the runner surface and the stress characteristics in the runner due to the fluid-structure interactions （FSI）. The dynamic stresses in the Francis turbine runner at the most dangerous operating point were then analyzed. The results show that the dynamic stresses caused by the hydraulic forces during off-design operating points are one of the main reasons for the fatigue and cracks in the runner blade. The results can be used to optimize the runner and to analyze other critical components in the hydraulic turbine.     

典型风力机翼型结冰特性分析

针对风力机叶片的结冰会严重影响风电机组的功率输出、危害风电机组的安全运行的情况,采用计算流体力学方法研究了典型的风力机翼型的结冰特性。首先,对攻角分别为0°,4°,8°的NACA0012翼型水滴撞击特性进行了计算,计算结果与文献实验结果吻合良好,表明了计算方法的正确性。在此基础上,对不同风速和不同温度下的典型风力机叶片表面的覆冰进行了模拟研究,得到了水收集系数和结冰厚度随温度和速度的变化趋势。结果表明:风速增加导致叶片表面结冰厚度增加,结冰附着面积增加;温度降低导致叶片表面结冰厚度增加;S801翼型的抗冰效果明显大于S802翼型的抗冰效果。研究结果有利于在低温环境中合理选择翼型,为降低叶片结冰危害程度提供参考。     

四斜叶桨搅拌槽内的流动特性

采用粒子图像测速技术(PIV),在直径为0.5m的平底搅拌槽内,对单层、双层平行布置和双层交错布置等三种条件下直径为0.2m的四斜叶桨(PBT)的流场进行测量,并利用标准k-ε模型对相应的流动特性进行计算流体动力学数值模拟。实验结果表明：三种流型下PBT叶片后方均存在单一的尾涡结构,其在径向方向的移动距离较轴向方向小。高湍流动能区与尾涡一起运动,实现能量自桨叶向搅拌槽内主体流动区的传递。模拟结果表明：标准k-ε模型对单层PBT搅拌槽内流场的预测与PIV实验吻合较好,而双层PBT的模拟结果与实验偏差较大,两层桨间径向速度被低估而轴向速度被高估是标准k-ε模型产生误差的主要原因,但是标准k-ε模型计算得到的功率准数与实验基本一致。     

灯泡贯流式水轮发电机转子辐板动应力测试

根据测试需要,设计自制了分体式碳刷集流环,对灯泡贯流式水轮发电机转子辐板进行了动应力测试.结果表明,动态测试过程稳定,所设计和制造的集流环完全满足试验要求,测试数据可以用于结构载荷谱的编制和疲劳寿命分析.     

MW级复合材料风电叶片的振动特性与应力分布

针对目前风电叶片有限元模型存在铺层不合理的问题,以某1.5 MW风电叶片为研究对象,利用Solidworks软件生成叶片三维模型;再将其导入大型有限元软件Abaqus中,按照叶片铺层理论进行分区域铺层,生成叶片有限元模型,使其更接近叶片的真实铺层状况;在有限元数值计算中,分析了叶片的振动特性以及在50 m/s的极限风速下的应力分布特征.结果表明,叶片模型在模态、强度、刚度三个方面均满足设计要求,叶片的危险截面位于距叶尖约13处,应力主要分布于叶片展向的13~23处,且主要承载结构为主梁和腹板.     

水轮机固定导叶的动力特性

为计算水轮机固定导叶的动力特性，提出了计算座环约束刚度的一个简化方法，推导了刚度系数的计算公式，利用通用板单元分析了导叶在空气中的自振特性，并在真机上作了原型观测；计算结果与实测值吻合较好，进而考虑流体耦合因素，计算了固定导叶在水中的动力特性。     

基于动网格技术的风挡除霜新方法的数值模拟

运用CFD方法对某车型挡风玻璃除霜过程数值模拟,针对现有国标规定分区中A区除霜过慢的问题,提出了一种除霜新方法,在风口处设计能绕自身轴线回转的导流叶片,结合动网格技术,计算除霜瞬态过程.结果表明:叶片初始偏转角度为42°,A区的除霜效果最好,努赛尔数提高13.7%,270s时刻,令叶片以角速度ω=0.073 3rad/s偏转,280s时刻回转至初始位置.A区霜层除去80%面积所需时间与原模型相比缩短60s,在保证除霜完全的基础上优先除去A区霜层,实现驾驶员视野的快速清晰.     

混流式转轮静强度和振动特性分析

为大型水轮机组的安全、稳定运行,研究了转轮在水介质中的动力特性。运用顺序耦合的方法,分析了在三维旋转流动所产生的水压力作用下转轮体的静强度特性;运用全流固耦合的三维有限元方法进行了转轮在水介质中的模态分析。强度分析结果表明,应力集中的部位与裂纹实际产生的位置完全吻合,但最大等效应力远小于材料的极限破坏应力;模态分析得到转轮在水中的自振频率和振型等振动特性,指出了发生共振的可能性。结果证实了导致裂纹产生的原因不是静应力而是动载荷的作用。     

大型水泵—水轮机组轴系的动力特性

以某大型水泵—水轮机组为实例，讨论了机组轴系的动力特性——弯曲振动和扭转振动特性。要计算得到轴系的动力特性，关键在于正确建模，再通过试验或真机现场实测，获得必需的数据和资料，然后用转子动力学方法求得。讨论了建模的策略，分析了影响轴系动力特性的各种主要因素，如轴承油膜和支承结构的刚度、回转效应、水的参振质量以及各种水动力、机械力和电磁力。透彻地掌握轴系的动力特性是机组设计的主要内容之一，对机组的安全运行和故障诊断等至关重要