多物理场仿真解决混流式水轮机中的振动问题

水轮机中强大的振动和压力脉动可能给机械的性能、寿命和安全造成严重的不利影响。它会导致噪声、裂纹乃至机械故障。

全球领先的水电设备、技术和服务供应商之一，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。在立轴混流式水轮机中，水从水平方向流入螺旋形管道（蜗壳），其环绕在旋转转轮周围。静态的导流叶片用于调节并将水流导向转轮的外沿。

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。

使用结构仿真，Voith 的工程团队排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。

导流叶片振动的物理测量。图片由Voith提供。

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。

简化水域中的转轮声学有限元模型。图片由Voith提供。

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

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能性作为切入点。他们使用了ANSYS Mechanical 在水中为导流叶片创建有限元模型，然后使用无阻尼模态分析计算出前四种模态形状。工程师发现不存在与所观察到的振动频率接近的自然频率，进而说明不存在导流叶片谐振或自激励。这一发现得到了物理测量的确认。物理测量显示所有的导流叶片均在统一狭窄的频率范围内振动，虽然几何结构和轴承条件的微小差异导致每个导流叶片有一些不同的自然频率。

通过观察Q参数，可以显示应变率张量的第二个不变量的等值面（包括压力最小的封闭空间区域），以观测流场中的涡旋，未发现导流叶片周围的涡旋脱落。图片由Voith提供

转轮叶片的CFD仿真显示涡旋脱落（由两个不同Q参数实现的可视视图）。图片由Voith提供。

涡旋脱落

Voith 使用ANSYS CFX 开展非稳态CFD 分析，以研究导流叶片上涡旋脱落的可能性。导流叶片上的后缘可用于防止涡旋脱落，并且分析显示没有脱落的迹象。因此工程师判断这个问题不是导流叶片上的涡旋脱落造成的。接下来该团队在转轮叶片上开展非稳态CFD 分析。因为制成的后缘形状可能与设计的形状略有出入，工程师同时分析了与设计相同的倒棱缘和钝角后缘。在频率大约为220Hz 时，清楚观察到钝角后缘发生涡旋脱落，在370Hz时清楚观察到倒棱后缘发生涡旋脱落。

对刚性转轮而言，虽然所有的导流叶片在相同频率下振动，不同叶片和沿单个叶片后缘的涡旋脱落频率一般不同。原因是如果在水中安装的转轮部分自然频率位于涡旋脱落的频率范围之内，且如果对应的模态形状包含后缘弯曲，则涡旋脱落频率可能锁定，并在自然频率上发生谐振。这种锁定效应可能会导致大幅度振动。

耦合动力学行为

但是从转轮叶片上分离的涡旋向下游移动进入尾水管时，不会直接影响到导流叶片。因此，即使锁定效应会造成放大的涡旋脱落，但必定有其它原因导致导流叶片上游方向传播的压力脉冲，。随后，工程师使用ANSYSMechanical 开展了模态和谐波响应分析，在使用流体单元创建的简化水域中，用转轮的声振模型来研究整个转轮和流道的耦合动力学行为。有限元模型包括转轮的旋转参照系和完全轴对称的静态部件简化模型。转轮结构在与轴连接处沿轴向和圆周方向固定，工程师将流固耦合界面与转轮结构及声学流体域进行结合。这种对无阻尼声振模型的简化模态分析，可提供模态形状和对应的自然频率。在测量得到的导流叶片振动频率范围附近，工程师发现了多个自然频率。大多数相关的声振模态形状均会在转轮叶片后缘上呈现出严重的弯曲位移，并给导流叶片区域带来显著的压力脉动。

有两条自然频率为301Hz的沿直径中心节点线的振动声学模态形状的压力场（左）和轴向转轮位移（右）。图片由Voith提供。

有三条自然频率为325Hz的沿直径中心节点线的振动声学模态形状的压力场（左）和轴向转轮位移（右）。图片由 Voith提供。

随后开展了谐波响应分析，以更清晰地掌握转轮和配水环管区域的声振效应。转轮被旋转受力形态激励，有明显数量的直径中心节点线存在。每个自然频率都有特定模态形状，其由直径中心节点线的数量确定。每个转轮叶片上有单一力作用在与叶片表面垂直的后缘上。结果显示有声振谐振产生，造成显著弯曲位移和高压力脉动。压力和位移判据显示：对于有三条沿直径中心节点线的模态形状，有295Hz 的清晰谐振峰值；对于有七条沿直径中心节点线的模态形状，有306Hz 的清晰谐振峰值。后者与测得的振动频率接近。

谐波响应分析的结果结合模态分析， 说明基于声振耦合谐振条件的lock-in 效应同步并放大了涡旋脱落。对应的声振模态形态传播并放大了涡轮机内部旋转组件和静态组件内部的压力脉动。这种压力脉动引发了导流叶片在自然频率下发生共振。通过修正后缘形状，最大程度地减少转轮叶片上的涡旋脱落并进行干扰，显著减少导流叶片振动，从而解决了这个问题。

使用单物理仿真或许无法确定和解决该振动问题。它要求理解所涉及的全部物理场域，并将它们正确地运用到眼前的问题中。

本文来源于《ANSYS ADVANTAGE》，版权归作者所有，旨在分享。

文章来源：安世亚太