[发明专利]一种水轮机活动导叶振动特性预测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水轮机活动导叶振动特性预测方法，属于水力机械及其系统耦合模拟技术领域。

背景技术

机组振动和叶片裂纹问题已成为水电站急需解决的关键性技术难题，但水轮机水力振动的机理很复杂，难点多，牵涉多门学科，如叶片后卡门涡列引起的水力扰动，汽蚀脱流引起的水弹性振动以及尾水管内的空腔涡带诱发的振动等，这些都是极为棘手的问题，也是引起水轮机振动的主要原因，多年来一直受到学术界和工程界的极大关注。然而，由于问题的复杂性，迄今为止都没有得到令人满意的结果。

而传统的叶片振动分析方法存在一些明显的不足：比如，传统的结构动力学分析方法将流场跟导叶变形孤立起来，忽略了导叶自身变形对流场的影响，同时引入了大量线性化假设，弱化甚至消除了非线性，大大降低了模拟精度。即使近年来也有少量开始使用交错的双向耦合技术，也未保证耦合界面信息交换时能量守恒，同时在时间推进上，流体跟结构计算不同步，带来非物理上的耗散。

事实上，水轮机导水机构翼型叶片、转轮叶片作为透平机械的核心部件，其水力振动也是典型的流固耦合振动。以往单一的流场计算或单一的结构计算对机组效率、空化预测或对结构设计虽起到了指导性作用，但对研究水力振动，叶片裂纹成因等现象无能为力，因此采用流固耦合计算的方法，来研究这一类复杂湍流与大型薄壁结构之间的耦合振动势在必行，也是极具挑战性的课题之一。

发明内容

水轮机活动导叶作为水力发电机组重要的导流机构，其振动特性不仅直接影响机组的调节效率，同时会对流体产生扰动，扰动流场可进一步诱发下游转轮叶片的激振，导致机组叶片开裂，影响机组的安全运行。因此对水轮机活动导叶振动特性的准确预测是确保水力发电机组安全稳定运行的重要前提条件之一。本发明的目的是克服传统计算导叶振动特性数值模拟方法的不足，提出一种基于同步迭代强耦合技术的水轮机活动导叶振动特性预测方法，一是保证耦合界面流体与固体之间能量交换的守恒，二是保证流体和结构计算在时间上同步推进，消除时间滞后带来的计算误差，使之能更准确预测导叶的流固耦合振动行为。

本发明提出一种基于同步迭代强耦合技术的水轮机活动导叶振动特性预测方法，通过在计算机上采用数值计算技术对水轮机活动导叶耦合振动特性进行预测，该方法

是通过同步双向模块反复交替调用结构计算模块和流体计算模块，同时采用界面信息交换模块在结构计算模块和流体计算模块之间传递耦合界面数据，通过在一个时间步内流体与结构双向的交互作用，并满足收敛条件后，在时间上同步推进整个由导叶及其周围流场组成的流固耦合系统。具体包含以下步骤：

步骤一：非稳态流场初值计算：对水轮机活动导叶初始构型建立流场计算网格，根据设定的流场计算边界条件，通过流体计算模块对导叶初始构型下的周围流场进行稳态计算，计算结果作为非稳态流场计算初值条件；

所述流场边界条件包括与固体接触面的速度都设为零的无滑移无渗透壁面边界条件、设计工况流量（流速）作为计算域进口边界条件、出口采用的自由出流边界条件。

步骤二：同步双向迭代：

（1）启动非稳态流体计算模块，通过界面信息交换模块将耦合界面流体侧单元应力值转换为耦合界面结构侧有限单元上的节点力；

（2）启动结构（动力学）计算模块，获取结构新的变形（位移）；结构（动力学）计算模块的启动是用于求解三维动力学方程，获得叶片的瞬态位移，包括如下步骤：

2.1记录界面结构侧有限单元上的节点力和结构有限元节点和单元信息以及约束信息，将界面结构侧有限单元上的节点力和结构有限元节点和单元信息以及约束信息存放在输入文件中；

2.2求解三维结构动力方程：                                                                  （1）

式中，为结构的质量矩阵，为结构的阻尼矩阵，为结构的切线刚度矩阵（可考虑几何非线性），为结构总的外力矢量，、和分别代表结构的加速度矢量，速度矢量和位移矢量。求解三维动力结构方程可以调用C程序语言编写的结构有限元计算程序进行求解。

2.3计算收敛后，可得到，即为叶片有限元节点新的位移。

所述界面信息交换模块包括两个子模块，一是变形传递子模块，该子模块将耦合界面上结构侧节点位移转换为耦合界面上流体侧单元的位移，以实现流体域边界运动；二是是荷载传递子模块，将导叶耦合界面上流体侧流体单元应力转换为导叶耦合界面上结构侧有限元节点的节点力。