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近年來，國內(nèi)外一系列水力機組頻繁發(fā)生振動和轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題，嚴重影響了機組的安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟效益。隨著流固耦合技術(shù)的飛速發(fā)展，很多學(xué)者對水力機械進行了基于流固耦合的應(yīng)力特性研究。肖若富等對混流式水輪機全流道流場進行了CFD計算，采用順序流固耦合方法得到了轉(zhuǎn)輪最大靜應(yīng)力與水輪機功率的線性關(guān)系。張新口等運用單向流固耦合的方法對軸流泵葉輪強度進行有限元分析。利用單向流固耦合方法計算旋轉(zhuǎn)機械應(yīng)力和變形的有效性和準確性已獲得了工程界的認可，本文借助計算流體動力學(xué)軟件CFX和ansys workbench平臺，對我國東北某大型混流式水輪機全流道設(shè)計水頭下不同工況進行了CFD計算�；趩蜗蛄鞴恬詈戏椒ㄓ嬎愕玫讲煌r下轉(zhuǎn)輪最大靜應(yīng)力和變形量，從而實現(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)輪強度的校核與預(yù)測，可對混流式水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和裂紋原因分析提供參考。
本文以我國東北某大型混流式水輪機為研究對象，建立了從蝸殼進口至尾水管出口的全流道計算模型。流體和實體部分均采用UG建模。流體機械內(nèi)部水流運動可以采用連續(xù)性方程和雷諾時均N-S方程聯(lián)立來描述，連續(xù)性方程：質(zhì)量力；P為壓強拼為湍動粘度。一般認為水流是不可壓縮流體，不考慮能量守恒方程。通過雷諾時均N-S方程描述湍流運動時，需要引人湍流模型來封閉方程組，本文采用能夠準確模擬近壁面區(qū)域。模型進行計算域流動特性的模擬。采用有限體積法對控制方程組進行離散，擴散項和壓力梯度采用有限元函數(shù)表示，對流項采用高階求解格式。采用全隱式多重網(wǎng)格耦合方法對流場進行求解，將動量方程和連續(xù)性方程耦合求解，流體域包括蝸殼段、座環(huán)段、轉(zhuǎn)輪段和尾水管段，結(jié)構(gòu)域只考慮轉(zhuǎn)輪。
混流式水輪機全流道過流部件多，幾何形狀復(fù)雜，運用ICEM對流體區(qū)域進行幾何適應(yīng)性強的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，分別對蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、尾水管進行了網(wǎng)格劃分及局部加密，部分流體計算區(qū)域網(wǎng)格如圖所示，整個水輪機流體計算域網(wǎng)格單元總數(shù)為319.6萬，蝸殼、座環(huán)、轉(zhuǎn)輪、尾水管網(wǎng)格單元數(shù)分別為30.6萬，97.8萬，167.4萬，23.8萬。在CFX軟件平臺上完成數(shù)值模擬工作，邊界條件為：流場進口處設(shè)置給定總壓邊界條件，出口處設(shè)置白由出流邊界條件，固壁上采用絕熱、無滑移邊界條件，轉(zhuǎn)輪流體域與轉(zhuǎn)輪實體相接部分定義為流固耦合邊界，采用Frozen rotor處理轉(zhuǎn)輪與座環(huán)、尾水管之間旋轉(zhuǎn)坐標系與靜止坐標系流動參數(shù)的轉(zhuǎn)換。計算得到三種工況下葉片表面水壓力的分布作為轉(zhuǎn)輪強度有限元計算的流固耦合表面荷載邊界條件。以設(shè)計工況為例，葉片表面靜壓分布。
轉(zhuǎn)輪的材料為ZG20SiMn，密度為7860kg/m3，楊氏模量為211GPa，泊松比0.29，屈服強度295MPa。轉(zhuǎn)輪尺寸的單元網(wǎng)格設(shè)為80mm，采用白由劃分的方法對轉(zhuǎn)輪劃分網(wǎng)格，由于應(yīng)力集中常發(fā)生在葉片根部區(qū)域，為了保證計算精度，對這一敏感區(qū)域進行了網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分共產(chǎn)生1743812個單元和2550548個節(jié)點，如下頁圖所示。模型邊界條件包括結(jié)構(gòu)載荷和約束，兩種結(jié)構(gòu)載荷有：①慣性載荷，包括重力加速度和轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速；②表面載荷，即由前文流場計算獲得的作用在所有流固耦合面上的水壓力。為了防止產(chǎn)生剛體位移，轉(zhuǎn)輪約束條件設(shè)置為在轉(zhuǎn)輪與主軸把合螺栓處，約束相應(yīng)節(jié)點的白由度。整個轉(zhuǎn)輪荷載和約束的設(shè)置如下頁圖所示。對轉(zhuǎn)輪在3個工況點下進行有限元求解，得到各個工況下轉(zhuǎn)輪的靜應(yīng)力及位移分布云圖。
由于各工況下轉(zhuǎn)輪的靜應(yīng)力及總變形分布規(guī)律相似，只是數(shù)值上有所區(qū)別，因此只給出轉(zhuǎn)輪在設(shè)計工況下的靜應(yīng)力和變形分布。設(shè)計工況下轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力分布如圖所示。水流流態(tài)順暢，葉片壓力面與吸力面壓差較大，葉片表面靜壓梯度明顯，應(yīng)力分布趨于均勻，此時應(yīng)力集中與應(yīng)力最大值出現(xiàn)在葉片出水邊靠近上冠處。這是因為約束條件設(shè)置為在轉(zhuǎn)輪與主軸把合螺栓處，在加載了葉片表面水壓力載荷的情況下，葉片靠近固定約束處的彎矩和剪力較大，無法通過彎曲和變形釋放應(yīng)力，同時葉片出水邊厚度較薄，剛度和強度不足，所以造成了此處的應(yīng)力集中與應(yīng)力最大值，并易產(chǎn)生疲勞破壞。
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