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近年來(lái)，水輪發(fā)電機(jī)組的容量、尺寸及比轉(zhuǎn)速不斷提高，對(duì)葉片情的剛強(qiáng)度要求也日益提高。軸流式轉(zhuǎn)輪的葉片是懸臂結(jié)構(gòu)，在工作過程中要承受離心力，水壓力等的共同作用，以及焊接轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力、加工應(yīng)力等，其應(yīng)力狀況較復(fù)雜，而且，實(shí)際工作中轉(zhuǎn)輪的工作環(huán)境惡劣，不但要經(jīng)歷啟動(dòng)，停機(jī)，還經(jīng)常在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。在這些況下，水輪機(jī)葉片經(jīng)常受各種因素造成的穩(wěn)定的和非穩(wěn)定的水流激振力及變化的離心力等，由于這些因素的激振作用，使得水輪機(jī)葉片產(chǎn)生振動(dòng)，而長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)組振動(dòng)可能引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，并且激勵(lì)源頻率與水輪機(jī)結(jié)構(gòu)在水中的固有頻率接近或相同時(shí)可引發(fā)共振，在共振條件下極易引起結(jié)構(gòu)的破壞，葉片裂紋問題明顯增多。如三門峽和富春江的葉片，都出現(xiàn)了不同程度的葉片裂紋。因此，在工程實(shí)際中，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的剛強(qiáng)度有限元分析顯得越來(lái)越重要，尤其對(duì)于分析水輪機(jī)葉片裂紋的事故并防止其發(fā)生，具有重要作用。
目前，工程中在軸流式轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度分析中，多采用簡(jiǎn)化的方法將轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)的水壓力等效至葉片表面，以此作為荷載對(duì)葉片進(jìn)行剛強(qiáng)度分析。本文提出了一種基于流動(dòng)分析的方法對(duì)葉片進(jìn)行剛強(qiáng)度分析。首先對(duì)轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算葉片的穩(wěn)態(tài)水壓力，得到反映實(shí)際情況的葉片表面真實(shí)應(yīng)力分布，將此應(yīng)力分布加載至剛強(qiáng)度分析的葉片模型表面，然后進(jìn)行葉片的剛強(qiáng)度分析，這種方法能夠真實(shí)反映葉片表面的受力狀態(tài)，因而具有較為重要的工程實(shí)用價(jià)值。
水輪機(jī)通道內(nèi)，水流作用在葉片上，從而形成了水輪機(jī)葉片的表面載荷，因此需要確定葉片上水壓力的分布情況，葉片表面水壓力計(jì)算是在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)是非常復(fù)雜的三維紊流流動(dòng)。本文采用以下基于雷諾時(shí)均的N-S方程和k紊流模型，采用有限體積法和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模擬了軸流式轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)。(1)對(duì)于定常不可壓粘性流體，(2)計(jì)算模型與網(wǎng)格 本文的分析對(duì)象為軸流式轉(zhuǎn)輪，根據(jù)流動(dòng)的對(duì)稱性，取一個(gè)葉片周期作為數(shù)值模擬的實(shí)體模型，將整個(gè)流場(chǎng)分為三部分，進(jìn)口靜止部分，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)部分和出口靜止部分，分別采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分:并在葉片區(qū)域采用局部加密技術(shù)。動(dòng)靜部分之間采用GGI (General Grid Interfaces)拼接網(wǎng)格技術(shù)，這樣采用坐標(biāo)系變化的連接模式固定轉(zhuǎn)動(dòng)部分，可以保證各部分之間流場(chǎng)變化的交換是直接的，并且不用產(chǎn)生附加誤差的插值。
對(duì)于給定荷載的葉片剛強(qiáng)度分析，一種較為有效的方法就是有限元方法。有限元分析就是要確定所剖分的單元的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，然后利用結(jié)構(gòu)的動(dòng)力平衡條件和邊界條件將各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新聯(lián)結(jié)起來(lái)，形成整體的有限元方程。 在進(jìn)行有限元分析之前，必須建立合理的水輪機(jī)葉片三維實(shí)體模型。水輪機(jī)葉片的幾何形狀很復(fù)雜，是一種空間扭曲型曲面，本文采用三維造型軟件來(lái)建立水輪機(jī)葉片三維有限元分析模型，在此過程中實(shí)現(xiàn)建模的參數(shù)化和自動(dòng)化。
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