一种水轮机转轮叶片受力分析方法

技术领域

本发明属于水轮机检测领域，具体涉及一种水轮机转轮叶片受力分析方法。

背景技术

在水电领域，水轮机转轮是核心部件之一，可将水的动能转化为机械能，进而驱动电机发电。水轮机转轮在运行过程中，受水流的冲击，受力比较复杂，很容易受到汽蚀和泥沙磨损，易产生疲劳裂纹。水轮机转轮上的疲劳裂纹，轻则影响输出效率，重则导致部件破坏，影响发电机组安全。

转轮在生产过程中，为提高其耐磨蚀能力，常常采用喷涂碳化钨(WC)涂层进行镀膜处理。这些处理势必给检测检修带来很大困难，同时，过流部件结构复杂，本身在制造过程中存在应力集中，而WC的喷涂过程中需要喷丸处理，进一步加剧了应力集中。这些应力集中经过演变常常会产生涂层下裂纹，带来更多的安全隐患。

为避免水轮机转轮裂纹事故的发生，有必要深入研究水轮机转轮的受力情况，寻找薄弱部位，确定应力、应变最大的区域，以作为后期裂纹检测和转轮维护保养的依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水轮机转轮叶片受力分析方法，可以识别转轮叶片的薄弱环节。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种水轮机转轮叶片受力分析方法，首先，构建水轮机转轮的三维模型，对长叶片和短叶片分别进行网格划分，然后分析水轮机转轮所受载荷情况，根据转轮所受载荷情况和水轮机的力场分布情况，得到长叶片和短叶片的受力场，最后分别对长叶片和短叶片进行静应力分析、动应力分析，得到长叶片和短叶片的变形、应变和应力结果，根据长叶片和短叶片的受力场、固有频率与模态对水轮机转轮叶片进行安全性分析，确定水轮机转轮叶片的薄弱部位。

本发明进一步的改进在于，构建水轮机转轮的三维模型，对长叶片和短叶片分别进行网格划分的具体过程为：按照水轮机的结构尺寸，对水轮机的上冠、长叶片、短叶片和下环进行建模，对长叶片和短叶片进行网格划分。

本发明进一步的改进在于，通过流固耦合分析模型得到整个水轮机的力场分布情况。

本发明进一步的改进在于，根据转轮所受载荷情况和水轮机的力场分布情况，得到长叶片和短叶片的受力场的具体过程为：分析水轮机所承受的载荷，然后构建全流道流体力场三维模型，进行流固耦合分析，获得长叶片和短叶片的受力场。

本发明进一步的改进在于，载荷包括水压力、重力和离心力。

本发明进一步的改进在于，根据转轮所受载荷情况和水轮机的力场分布情况，得到长叶片和短叶片的受力场的具体过程为：首先建立全流道流域模型，对蜗壳流体区域和尾水管流体区域采用六面体网格划分，叶轮和转轮流体区域采用四面体网格划分，然后设定全流道稳态分析的边界条件，流体介质为水，蜗壳、尾水管、叶轮流域为静止流域，转轮流域为旋转流域，初始转速，蜗壳入口为水流入口，尾水管出口为水流出口，其余为无滑移光滑壁面，最后进行全流道稳态分析，得到全流道有限元分析结果，获得长叶片和短叶片的受力场。

本发明进一步的改进在于，选用k-Epsilon湍流模型进行全流道稳态分析。

本发明进一步的改进在于，对长叶片和短叶片进行静应力分析、动应力分析，得到长叶片和短叶片的变形、应变和应力结果的具体过程为：对长叶片、短叶片进行网格划分，将离心力、重力和水流压力三种合成的综合力施加在长短叶片上，得到长叶片、短叶片的变形、应变和应力结果。

本发明进一步的改进在于，固有频率与模态通过以下过程得到：将离心力和水流压力产生的合成力作为动应力施加在长叶片和短叶片上，得到长叶片和短叶片的预应力下的固有频率与模态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过根据长叶片和短叶片的受力场、固有频率与模态对水轮机转轮叶片进行安全性分析，实现对水轮机叶片的受力分析，寻找到叶片的薄弱部位，为检测、检修、保养、维护以及设计改型提供了有效的数据支持。本发明可形成一套水轮机叶片的受力分析流程，规范水轮机受力分析过程，并且操作简单、结果可靠，具有工程使用价值。

附图说明

图1为本发明的水轮机转轮叶片受力分析流程图。

图2为本发明的转轮的三维模型。

图3为本发明的流固耦合分析流程图。

图4为本发明的全流道流线图。

图5为本发明的长叶片变形、应变及应力图。其中，(a)为长叶片变形图，(b)为长叶片应变图，(c)为长叶片应力图。

图6为本发明的短叶片变形、应变及应力图。其中，(a)为短叶片变形图，(b)为短叶片应变图，(c)为短叶片应力图。

图7为本发明的长叶片模态图。其中，(a)为长叶片一阶模态图，(b)为长叶片二阶模态图，(c)为长叶片三阶模态图，(d)为长叶片四阶模态图，(e)为长叶片五阶模态图，(f)为长叶片六阶模态图。

图8为本发明的短叶片模态图。其中，(a)为短叶片一阶模态图，(b)为短叶片二阶模态图，(c)为短叶片三阶模态图，(d)为短叶片四阶模态图，(e)为短叶片五阶模态图，(f)为短叶片六阶模态图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

参照图1，首先，构建水轮机转轮的三维模型，对长叶片和短叶片分别进行网格划分，然后分析水轮机转轮所受载荷情况，根据转轮所受载荷情况和水轮机的力场分布情况，通过流固耦合分析模型，得到长叶片和短叶片的受力场，最后分别对长叶片和短叶片进行静应力分析、动应力分析，得到长叶片和短叶片的变形、应变和应力结果，根据长叶片和短叶片的受力场、固有频率与模态对水轮机转轮叶片进行安全性分析。该分析可以直接发现水轮机转轮叶片的薄弱部位，为水轮机转轮叶片的检测、维护乃至设计改型等提供有效的数据支持。

参照图2，所述的构建水轮机转轮的三维模型，对长叶片和短叶片分别进行网格划分，的具体过程为：按照水轮机的结构尺寸等，构建三维模型，对水轮机的上冠、叶片和下环等各个部分进行建模，其对长叶片和短叶片按照其结构形式进行网格划分。

参照图3和图4，根据转轮所受载荷情况和水轮机的力场分布情况，通过流固耦合分析模型，得到长叶片和短叶片的受力场的具体过程为：通过流固耦合分析模型分析整个水轮机的力场分布情况的具体过程为：分析水轮机所承受的载荷：水压力、重力和离心力，构建全流道流体力场三维模型，进行流固耦合分析。其过程为：首先建立全流道流域模型，随后按照形状分区域进行网格划分，对蜗壳流体区域和尾水管流体区域采用六面体网格划分，叶轮和转轮流体区域采用四面体网格划分。然后设定全流道稳态分析的边界条件，流体介质为水，蜗壳、尾水管、叶轮流域为静止流域，转轮流域为旋转流域，初始转速v,蜗壳入口为水流入口(inlet)，尾水管出口为水流出口(outlet)，其余为无滑移光滑壁面(wall)。最后选用k-Epsilon湍流模型进行全流道稳态分析，给出全流道有限元分析结果，获知长短叶片的受力场。

参考图5中的(a)、(b)和(c)和图6中的(a)、(b)和(c)，所述的长短叶片的静应力分析的具体过程为：对长短叶片进行网格划分，将离心力、重力和水流压力三种合成的综合力施加在长短叶片上，得到各自的变形、应变和应力结果。应变和应力最大的区域即为薄弱部位，需要重点关注。

参考图7中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)和图8中的(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)，所述的长短叶片的动应力分析的具体过程为：将离心力和水流压力产生的合成力作为动应力施加在长短叶片上，得到长短叶片的预应力下的固有频率与模态，寻找到1-6阶共振区域。共振区域也是薄弱部位，需要重点关注。

实施例：

某水轮机现场进行测试，该水轮机上有15个叶片，材料ZG0Cr13Ni4Mo,弹性模量为210Pa，泊松比0.3，密度7850kg/m

表1长短叶片固有频率

从而确定水轮机转轮叶片的薄弱部位，为水轮机转轮叶片的检测、维护乃至设计改型等提供有效的数据支持。