Voith Hydro公司观察到，强烈振动可能导致混流式水轮机导流 - Ansys.PDF

流体–机械系统仿真 周身振动 利用多物理场仿真解决混流式水轮机中的振动问题。 作者：Björn Hübner ，Voith Hydro Holding GmbH Co. KG开发工程师，德国海登海姆 。 供 提 h t i o V 由 片 图 轮机中强大的振动和压力脉动可能给机械的性能、 Hydro 公司观察到，强烈振动可能导致混流式水轮机导流叶片 寿命和安全造成严重的不利影响。它会导致噪声、 出现疲劳裂纹。在立轴混流式水轮机中，水从水平方向流入螺 水 裂纹乃至机械故障。 旋形管道（蜗壳），其环绕在旋转转轮周围。静态的导流叶片 全球领先的水电设备、技术和服务供应商之一，Voith 用于调节并将水流导向转轮的外沿。 Voith Hydro公司观察到，强烈振动可能导致混流式水轮机导流叶片 出现疲劳裂纹。 © 2015 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 2015年 | 第1期 | 第IX卷 36 转轮和轴（红色），带伺服电机的导流叶片（绿色）。 图片由Voith提供。 在转轮流道内部，水压的势能转化 为扭矩，促使转轮和连着的轴和发电机 旋转。水从下方垂直离开转轮，并进入 尾水管，剩余的动能转化为额外的压力 水头。 导流叶片振动的物理测量。图片由Voith提供。 使用结构仿真，Voith 的工程团队排 水中的导流叶片模型分析 92 Hz 175 Hz 327 Hz 400 Hz 除导流叶片的自激励和谐振是导致振动 的原因。利用计算流体动力学（CFD） 技术，他们判断出转轮叶片（而不是导 流叶片）上存在涡旋脱落，其是导致振 动的原因。这部机器由 24 个导流叶片 和 13 个转轮叶片组成。其工作速度为 75rpm。振动测量显示所有的导流叶片 模态分析说明导流叶片自然频率远离于测得的振动频率。图片由Voith提供。 都在 290Hz 到 305Hz 范围内的相同频  率上振动，但无法在工作过程中对转轮 叶片的振动开展测量。 为确定转轮上涡旋脱落如何给导流 叶片造成不利影响，该团队利用水域 中转轮的有限元模型进行声 - 流固耦 合。该模型使用流体有限元耦合转轮和 流道之间的动力学行为。结果证明是转 轮叶片后缘的激励导致了振动。仿真结 果与测量得到的振动频率吻合，大约在 300Hz。通过修改原型转轮叶片后缘的 形状，最大程度减小涡旋脱落，振动明 显得到减轻。 自激励振动与谐振 简化水域中的转轮声学有限元模型。图片由Voith提供。 为判断振动的原因，Voith 的工程 师从检查谐振效应的可能性或发生在自 然频率上的导流叶片自激励振动的可 限元模型，然后使用无阻尼模态分析计 能性作为切入点。他们使用了 ANSYS 算出前四种模态形状。工程师发现不存 使用ANSYS MECHANICAL开展声学分析 /91shaking Mechanical 在水中为导流叶片创建有 在与所观察到的振动频率接近的自然 © 2015 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 2015年 | 第1期 | 第IX卷 37 流体–机械系统仿真 频率，进而说明不存在导流叶片谐振或 统一狭窄的频率范围内振动，虽然几何 涡旋脱落 自激励。这一发现得到了物理测量的确 结构和轴承条件的微小差异导致每个导 Voith 使用 ANSYS CFX 开展非稳态 认。物理测量显示所有的导流叶片均在 流叶片有一些不同的自