（流体机械及工程专业论文）600mw汽轮机组主油泵叶轮的“流固”耦合结构分析.pdf

西华大学硕士学位论文 6 0 0 m w 汽轮机组主油泵叶轮的“流固 耦合结构分析 流体机械及工程专业 研究生唐立新指导教师赖喜德教授 主油泵作为汽轮机组供油系统的动力源和核心设备，其流体动力和结构力 学性能间接地对汽轮机组的运行安全性和可靠性有非常大的影响。为了满足大 型汽轮机组油系统需要，这类主油泵工作压力高达1 4 2 o m p a ，叶轮转速高 达3 0 0 0 r r a i n 。随着汽轮机组单机容量的不断增加和结构尺寸的巨型化，对汽 轮机组的油系统的适应性和可靠性要求越来越高，不仅要求主油泵具有高效 率，而且要求流量大和对变工况的适应性强，更要求在结构上紧凑和高可靠性， 也相应地对主油泵的设计和可靠性提出了更大的挑战。 6 0 0 m w 汽轮机组是现阶段及未来一段时期内我国火电站和核电站的主力 发机型，其油系统广泛采用了“主油泵一油涡轮一升压泵 系统。为了保证性能 要求，目前国内大型汽轮机制造厂在大型汽轮机配套的油系统的关键设备( 如 主油泵、油涡轮、升压泵等) 方面一般从国外进口或引进技术生产。本论文的 课题结合我国6 0 0 m w 汽轮机主油泵及油涡轮国产化研制的要求，针对国内自 主创新开发出6 0 0 m w 级机型配套的主油泵产品需要解决的关键技术之一：在 高压流体和高转速工作下的叶轮的结构动力学特性及可靠性方面进行研究。 本文在深入分析主油泵在油系统中的工作状况及内部流场流体动力学模 型和结构动力学模型的基础上，为了提高分析的可靠性，首先采用c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 软件对主油泵进行的全流道流场数值模拟， 计算出作用在叶轮流道表面上的流体压力分布。再将流场数值模拟结果传递给 西华大学硕士学位论文 叶轮结构分析，初步实现了采用“流一固 耦合( f s i ：f l u i ds o l i di n t e r a c t i o n ) 结 构分析技术对主油泵叶轮进行结构静力学分析和转子动力学分析。为了分析叶 轮在空气中和正常工作状态的力学特性差异，分别对于叶轮在空气和透平油两 种工作介质中的结构力学性能进行了计算。考虑到工程实际情况，除对叶轮在 正常转速条件下进行计算，还分别对于两种工作介质进行超速1 2 0 的工况行 了计算分析。通过对这些工况的计算分析，掌握了主油泵叶轮结构的各项力学 性能，如刚度、强度以及模态特性、自振频率等。根据计算结果，验证了该部 件的工作可靠性，为保证主油泵在实际工作中能够安全运行提供了依据，为 6 0 0 m w 汽轮机组主油泵的结构优化和新型主油泵的开发奠定了理论和技术基 础。 本文结合6 0 0 m w 汽轮机组主油泵结构优化的工程实际要求，应用“流一 固”耦合结构分析技术对于在高压流体和高转速条件下工作的低比转速双吸离 心主油泵叶轮进行结构动力学特性分析，解决了工程实际问题。并证明将“流 一固”耦合仿真分析技术应用于主油泵设计分析比不考虑流体作用的预测分析 的精度高，这不仅有利于保证产品的可靠性，而且可以缩短研制周期，降低开 发成本。研究成果已用于大型汽轮机组配套的主油泵国产化和国内自主创新研 究开发中，其方法可以进一步推广应用的其它叶片式流体机械，对叶片式流体 机械的数字化设计理论和方法的发展等都有重要意义。 关键词：主油泵叶轮；计算流体动力学；“流一固”耦合；静力分析；模态 分析。 西华大学硕t 学位论文 f s is t r u c t u r a la n a l y s i so f i m p e l l e ro fm a i no i lp u m pf o r 6 0 0 m ws t e a mt u r b i n e m a j o r ：f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：l i x i nt a n g s u p e r v i s o r ：p r o f x i - d el a i m a i no i lp u m pi sp o w e rs o u l c ea n dk e ye q u i p m e n to fo i l s u p p l ys y s t e mo f s t e a mt u r b i n eu n i t i t sh y d r o d y n a m i cp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r a lm e c h a n i c sp r o p e r t i e s i n d i r e c t l yh a v em o r t a li n f l u e n c eo no p e r a t i o ns a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fs t e a mt u r b i n e u n i t a c c o r d i n gt ot h en e e d so fo i ls u p p l ys y s t e m ，w o r k i n gp r e s s u r eo ft h i sk i n do f m a i no i l p u m p i s u pt o1 4 2 0 m p a ，i m p e l l e rr o t a t i n gs p e e dr e a c h e st o 3 0 0 0 r m i n w i t hi n c r e a s i n gi n c a p a c i t ya n ds t r u c t u r a ls i z eo fs t e a mt u r b i n eu n i t ， a d a p t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fo i ls u p p l ys y s t e mo fs t e a mt u r b i n eu n i ti sr e q u i r e d h i g h e ra n dh i g h e r n o to n l yn e e d sm a i no i lp u m pa c h i e v i n gh i g he f f i c i e n c y , b u ta l s o r e q u i r e s i tt oa d a p tt o l a r g ef l o w a t e sa n dw o r kc o n d i t i o nc h a n g i n g ，a n dm o r e c o m p a c ti ns t r u c t u r ea n dh i g h e ri nr e l i a b i l i t y a c c o r d i n g l y , t h e yb r i n gag r e a t e r c h a l l e n g et od e s i g na n di m p r o v er e l i a b i l i t yf o rm a i no i lp u m p a tp r e s e n ta n di nf u t u r ey e a r s ，6 0 0 m ws t e a mt u r b i n eu n i ti sw i d e l yu s e dt y p e i nt h e r m a lp o w e rs t a t i o na n dn u c l e a rp o w e rs t a t i o n i t so i ls u p p l ys y s t e mw i d e l y a d o p t e d “m a i n o i l p u m p - o i lt u r b i n e - b o o s t e rp u m p ”s y s t e m a ss of a r , f o r g u a r a n t e e i n gs a f e t yo f al a r g es c a l es t e a mt u r b i n eu n i t ，k e ye q u i p m e n t so fo i ls u p p l y s y s t e mo fal a r g es c a l es t e a mt u r b i n eu n i tu s u a l l yi m p o r tf r o ma b r o a do ri m p o r t t e c h n o l o g yt om a k ei nd o m e s t i cm a n u f a c t u r e r i no r d e rt ot h es u b j e c to ft h i sp a p e r c o m b i n e dw i t hr e q u i r e m e n to f s e l f - d e v e l o p m e n to fm a i no i lp u m pa n do i l t u r b i n ei nc h i n a , o n eo fk e yt e c h n o l o g i e st o d e v e l o pd o m e s t i ci n d e p e n d e n t i n n o v a t i o nd e v e l o p m e n tm a i no i lp u m pm a t c h i n g6 0 0 m ws t e a mt u r b i n eu n i th a s b e e ns t u d i e di nt h i st h e s i s ，w h i c hi ss t r u c t u r a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e l i a b i l i t y 1 1 1 西华大学硕士学位论文 o fi m p e l l e ri nh i 曲p r e s s u r ef l o wa n dh i g hr o t a t i o n a ls p e e de n v i r o n m e n t a c c o r d i n gt ow o r k i n gc o n d i t i o no fm a i no i lp u m pi no i ls u p p l ys y s t e m ，i n t e m a l f l o wf i e l dd y n a m i c sm o d e la n ds t r u c t u r a ld y n a m i c a lm o d e lo fm a i no i lp u m pw e r e a n a l y s e d t oe n s u r er e l i a b i l i t yo fa n a l y s i s ，f i r s t l y , c o m m e r c i a lc f ds o f t w a r ew a s u s e dt od oan u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rw h o l ef l o wp a s s a g eo fm a i no i lp u m p ，a n dt o o b t a i nf l u i dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nf l o wp a s s a g es u r f a c eo f i m p e l l e r ；s u b s e q u e n t l y e x p o r tn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t st os t r u c t u r a la n a l y s i sf o ri m p e l l e ra sl o a d ；t h e n ， s t r u c t u r a ls t a t i ca n a l y s i sa n dr o t o rd y n a m i ca n a l y s i sh a v eb e e nb a s i c a l l yc o m p l e t e d b yu s i n gf s im e t h o d f o ra n a l y z i n gd i f f e r e n c eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi m p e l l e r b e t w e e ni na i ra n du n d e rn o r m a lo p e r a t i o n ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f i m p e l l e ri nt w o k i n d so fm e d i u mh a db e e nr e s p e c t i v e l ys i m u l a t e d c o n s i d e r i n gr e q u i r e m e n t so f a c t u a le n g i n e e r i n g ，s t r u c t u r a ls t a t i ca n a l y s i sa n dr o t o rd y n a m i ca n a l y s i sh a db e e n d o n ea tc o n d i t i o no f12 0 w o r k i n gr e v o l u t i o ns p e e df o rt w ok i n d so fm e d i u m t h r o u g ha n a l y z i n gt h e s ec o n d i t i o n s ，a l lk i n d so fs t r u c t u r a lm e c h a n i c sp r o p e r t i e so f i m p e l l e r o fm a i no i l p u m p ，s u c h a ss t i f f n e s s 、 s t r e n g t h a n dm o d a l c h a r a c t e r i s t i c s ，n a t u r a lf r e q u e n c ya n ds oo nh a v eb e e nc a r r i e do u t a c c o r d i n gt o a n a l y s i s ，r e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h i si m p e l l e rh a sb e e nv e r i f i e d i ts e tu pat h e o r y a n dt e c h n o l o g yf o u n d a t i o no fs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nf o rm a i no i lp u m po f6 0 0 m w s t e a mt u r b i n eu n i ta n df o rd e v e l o p i n gn e wt y p em a i no i lp u m pa l s o c o m b i n e dw i t hs t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o no fm a i no i lp u m po f6 0 0 m ws t e a m t u r b i n eu n i tb a s e do np r a c t i c a le n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t si nt h i st h e s i s ，f s im e t h o d h a sb e e nu s e dt om a k es t r u c t u r a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sf o ri m p e l l e ro f l o w s p e c i f i cs p e e d - d o u b l es u c t i o n - c e n t r i f u g a lm a i no i lp u m pf r o ma n a c t u a l e n g i n e e r i n g i ti sp r o v e dt h a tp r e c i s i o nw i t hf s ii sh i g h e rt h a nw i t h o u tf s ii n s t r u c t u r a la n a l y s i so fm a i no i lp u m p ，a n dw h i c hi sn o to n l yb e n e f i c i a lt og u a r a n t e e r e l i a b i l i t yo fp u m p ，b u ta l s os h o r t e nr e s e a r c hc y c l ea n dd e c r e a s er & dc o s t t h i s r e s e a r c hh a sb e e na p p l i e dt od e s i g no fm a i no i lp u m pb yd o m e s t i ci n d e p e n d e n t i n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h i sm e t h o dm a yb ef u r t h e re x t e n d e dt oo t h e rk i n do f i v 西华大学硕上学位论文 t u r b om a c h i n e r y , a n dw h i c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo nt h e o r ya n dm e t h o do f d i 垂t a ld e s i g no ff l u i dm a c h i n e r y k e yw o r d s ：i m p e l l e ro fm a i no i lp u m p ；c f d ；f s i ；s t a t i ca n a l y s i s ；m o d a l a n a l y s i s v 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签字：年月日 导师签字： t r 其f 铲 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源及名称 1 1 1 课题来源 本课题来源于四川省重点学科建设重点项目( s z d0 4 1 2 1 ) 、四川省教 育厅自然科学基金重点项目( 0 7 z a l l 6 ) 及东方汽轮机有限公司根据我国 6 0 0 m w 汽轮机主油泵及油涡轮升压泵国产化研制重点科技攻关任务的要求。 1 1 2 课题名称 6 0 0 m w 汽轮机组主油泵叶轮的“流一固 耦合结构分析 1 2 课题的背景、目的和意义 1 2 1 课题的工程背景 由于环境压力加重以及提高能源利用率的双重驱动，今后的火电机组主 要以超临界、超超临界参数的6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 等级机型为发展目标。在未 来几年，6 0 0 m w 级汽轮机仍将是我国发电设备生成的主力机组，对6 0 0 m w 级汽轮机及配套设备的研究开发符合我国电力发展的需要川。油系统是火电 和核电用汽轮机机组的重要组成部分之一，是保证汽轮机组能够正常运行的 关键系统。在大型汽轮机组油系统中，主要有“主油泵和射油器组成的供油 系统”和“主油泵与油涡轮升压泵组成的供油系统”两种方式。在1 0 0 m w 、 2 0 0 m w 、3 0 0 m w 等级汽轮机组中采用较多的是“主油泵与射油器组成的供 油系统”。但该类供油系统存在着射油器占用体积大、效率非常低，且在偏 离正常工况及油速高时射油器噪声大等缺点。对于6 0 0 m w 及以上的大单机容 西华大学硕士学位论文 量的机组中，射油器的工作流量已接近其临界流量，该类供油系统的供油量 已不能满足容量进一步增大的机组的用油量。因此在6 0 0 m w 及以上汽轮机组 中一般采用“主油泵与油涡轮升压泵供油系统”。近年来，一些3 0 0 m w 及以 下机组也在逐步改用“主油泵与油涡轮升压泵组成的供油系统”。主油泵、 油涡轮系统不仅具有非常明显的节能效果，而且在非设计工况下仍可维持较 高的效率，提高了机组运行的经济性。此外，主油泵、油涡轮升压泵供油系 统由油涡轮升压泵向主油泵入口供油，使得主油泵入口油压力提高，维持机 组润滑油系统供油能力的转速比“主油泵与射油器供油系统”低，提高了机 组启停机过程中的安全可靠性。 随着汽轮机组单机容量的增加，对汽轮机组油系统的可靠性要求也不断 提高。为了保证汽轮机组对油系统性能要求，国内大型汽轮机制造厂在 6 0 0 m w 及以上大型汽轮机组配套的油系统的关键设备( 主油泵、油涡轮、升 压泵等) 方面一般从国外进口或引进技术国外进行生产。因此针对6 0 0 m w 级 机型的“主油泵与油涡轮升压泵组成的供油系统”进行系统性的研究开发工 作，以提高产品的性能、可靠性、可维修性、寿命，对保证机组的安全运行， 对实现6 0 0 m w 及以上大型机组的主油泵和油涡轮升压泵全部国产化和自主 创新等有重要意义。在汽轮机组油系统中主油泵负责向整个油系统提供高压 润滑油，是油系统的核心设备，它的工作稳定性和可靠性将直接影响油系统 甚至整个机组的运行状态。为了满足大型汽轮机组油系统的需要，这类主油 泵工作压力高达1 4 - 2 o m p a ，叶轮转速高达3 0 0 0 r m i n 。随着汽轮机组单机 容量的不断增加和结构尺寸的巨型化，对汽轮机组的油系统的适应性和可靠 性要求越来越高，不仅要求主油泵具有高效率，而且要求流量大和对变工况 的适应性强，更要求在结构上紧凑和高可靠性。由于主油泵的工作环境恶劣， 内部结构复杂，其设计优化过程中涉及一系列的关键技术。既要考虑到它的 流体动力特性，使它达到较高的效率；又要考虑到它结构的可靠性，在高压、 高速工作条件能够保证稳定运行，不发生叶片断裂和振动破坏，这些对主油 泵的设计和可靠性提出了更大的挑战。 在国家“十一五”科技攻关要求和四川省科技攻关指南中，要求通过科 技攻关解决在大型电力成套装备方面一些共性的关键技术问题，解决大型发 2 西华大学硕士学位论文 电设备全部国产化和自主创新问题。本课题结合国内6 0 0 m w 级机型的“主 油泵与油涡轮升压泵组成的供油系统”国产化和自主创新的需要，对高压流 体和高转速工作条件下的叶轮的结构动力学特性及可靠性方面进行研究，为 保证主油泵在实际工作中能够安全运行提供了理论依据，为6 0 0 m w 汽轮机组 主油泵的结构优化和新型主油泵的开发奠定了理论和技术基础。 1 2 2 课题研究的目的 为保证机组的运行稳定性和安全性，多年来我国大型汽轮机组配套的油 系统的关键设备( 主油泵和油涡轮升压泵) 主要依靠国外进口或引进国外的 设计生产，不仅价格昂贵，而且没有自主知识产权，严重影响我国大型和巨 型汽轮机组的全面国产化和国内自主创新。本项目通过厂校合作，针对目前 我国大型汽轮机机组的主力机型一单机容量6 0 0 m w 级机型的“主油泵与油 涡轮升压泵组成的供油系统”中的主油泵流体动力与结构优化等关键技术进 行研究开发。应用“流固 耦合结构分析技术，在对主油泵进行全流道流体 动力模拟的基础上，对主油泵叶轮进行结构静力学分析和模态分析，获得叶 轮的各项力学性能，分析主油泵结构的合理性与可靠性。将“流一固”耦合仿 真分析技术应用于主油泵设计分析，可以提高产品的可靠性，缩短研制周期， 降低开发成本。配合东方汽轮机有限公司自主开发出6 0 0 m w 级机型油系统的 主油泵等关键设备，将其研究成果用于大型汽轮机组配套的主油泵国产化和 国内自主创新研究开发中，使我国大型汽轮机制造厂掌握关键设备的自主知 识产权，实现产业化，使其产品达到国际先进水平，全面取代进口产品。 1 2 3 课题研究的意义 电力工业是一个国家国民经济重要的基础产业，在我国今后一段时期内， 火电机组主要以超临界、超超临界参数的6 0 0 m w 、1 0 0 0 m w 等级机型为发展 目标【1 1 。这些机组几乎都会采用“主油泵与油涡轮升压泵组成的供油系统 。 主油泵作为整个油系统的动力源和核，t l , 设备，其流体动力和结构力学性能间 接地对汽轮机组的运行安全性和可靠性有非常大的影响。叶轮是主油泵能量 西华大学硕k 学位论文 转换的核心部件，对主油泵的性能有巨大影响，叶轮结构设计的是否合理将 直接影响主油泵的工作稳定性与可靠性。 在主油泵运行过程中，其内部流体的流动是非常复杂的不定常三维粘性 湍流流动。因其内部流动非常复杂，过流表面多为复杂曲面，致使过流部件 的流体动力学设计及结构动力学特性校核非常困难。主油泵中真实流动的不 定常性不仅影响其效率、稳定特性，还能激发振动和噪声，导致叶片等发生 振颤失稳，产生过量附加动应力而产生裂纹，甚至断裂破坏。在主油泵运行 过程中，还存在非常复杂的“流一固 耦合作用，例如叶轮进口流体撞击、叶 片湍流激振、叶片脱流激振等。“流一固 耦合作用使叶轮部件的受力更加复 杂并且还会改变系统的固有动力学特性，因此在分析中必须考虑“流一固”耦 合的影响。由于流体作用的不确定性和不均匀性难以表达，在传统的叶轮部 ，件结构分析中，往往采用简化的叶轮力学模型进行分析。但是简化模型会使 分析的结果与叶轮的实际应力、应变及固有频率有较大的差异，为了保证叶 轮的工作可靠性，不得不采用加大安全系数的办法，但是这样就造成了叶轮 部件的尺寸及重量的增加。采用传统方法既增加了叶轮流体设计和结构设计 的难度，又浪费了材料，增加了成本。而且由于计算不精确，传统设计分析 方法还必须结合大量的模型试验或真机试验，既浪费了金钱又耗费了时间【2 l 。 本文结合6 0 0 m w 级机型的“主油泵与油涡轮升压泵组成的供油系统” 自主创新攻关，对主油泵叶轮进行“流一固”耦合分析研究，可以更加精确地 模拟了叶轮实际工作时的状态，实现了主油泵叶轮的结构优化设计并进行了 可靠性分析。以提高产品的性能、可靠性、可维修性、寿命，对保证机组的 安全运行，对实现6 0 0 m w 及以上大型机组的主油泵和油涡轮升压泵全部国产 化和自主创新等有重要意义。通过主油泵叶轮的“流一固”耦合结构分析，更 加深入的了解了主油泵内的“流一固”耦合作用，掌握了工作状态下流体对叶 轮结构的动态特性的影响，对有效提高油系统运行稳定性有重要意义。通过 本课题的研究，探索了叶片泵的“流一固”耦合结构数值分析，为类似的叶片 式流体机械的数字化设计奠定基础，作为理论和方法研究，可以进一步推广 应用的其它叶片式流体机械，对叶片式流体机械的数字化设计理论和方法的 4 西华大学硕上学位论文 发展等都有重要意义。 1 3 叶片泵的“流固 耦合分析的研究现状和发展趋势 “流一固 耦合力学是流体力学与固体力学相互交叉而生成的一门力学分 支，顾名思义，它是研究固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场 影响这二者交互作用的一门科学。“流一固”耦合力学的重要特征是两相介质 之间的交互作用f s 卜( f l u i d s o l i di n t e r a c t i o n ) ：固体在流体载荷作用下会产 生变形或运动，而变形或运动反过来又会影响流场，从而改变流体载荷的分 布和大小。正是这种相互作用将在不同条件下产生形形色色的“流一固”耦合 现象。“流一固”耦合力学的发展应用与现代计算流体力学和计算固体结构力 学的发展密不可分f 3 1 。 6 0 0 m w 汽轮机组主油泵为双吸离心式叶片泵，叶片泵作为一种旋转式流 体机械，它工作时会出现复杂的“流一固”耦合现象，是其结构分析时必须考 虑的因素。在叶片泵叶轮结构分析中，由于“流一固 耦合分析的复杂性，以 前较多是不考虑流体作用或者简化流体作用。在本文的研究过程中，考虑“流 一固”耦合作用进行结构分析，可以提高分析精度和可靠性。在本文分析方法 中涉及到了计算流体动力学分析、结构分析和“流一固”结构分析理论及方 法在叶片泵中的应用，下面结合这些方面介绍叶片泵“流一固”耦合分析的现 状及发展趋势。 1 3 1 叶片泵的三维流场数值模拟技术的发展及应用 进行叶片泵“流一固”耦合分析，首先要精确地模拟出叶片泵内部的流体 动力特性，清楚地反映流体对固体区域的作用。为了解叶片泵“流一固”耦合 分析的发展趋势，就必须清楚流体动力学模拟计算的发展趋势。 叶片泵内部的流动是很复杂的不定常三维湍流流动，模拟这种流动一直 是一大世界难题。古今中外，众多学者对这种湍流流动进行广泛而深入的研 究。早在2 0 世纪5 0 年代，一些专家学者开始尝试使用数值计算方法来预测 西华大学硕上学位论文 叶片泵等叶片式流体机械内部的流动情况。随着计算机技术的高速发展，计 算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 发展很快，许多商用c f d 软 件在叶片泵内流数值模拟上的应用也日见增多。在实验测试手段还不十分完 善的今天，研究采用c f d 方法来数值模拟叶片泵叶轮的内流特点，从而获得 叶片泵内流的流动特性，这是现代泵技术的重要研究方法【4 1 。通过对叶片泵 内部流动的数值模拟，可以分析、预测叶片泵内部的水力特性。在此基础上， 预测流体对固体的影响及它们之间的耦合关系，才能精确地分析固体域的力 学特性。 计算流体力学的发展经历了几个阶段：( a ) 无粘性流动数值模拟：2 0 世 纪5 0 年代至8 0 年代，流场的数值模拟主要为无粘性数值模拟。大多把流动 简化为二维不可压势流、准三维或全三维势流，以流函数、势函数和e u l e r 方 程为控制方程进行计算。1 9 5 2 年我国吴仲华教授提出的s l ，s 2 两类流面通用 理论，对离心泵叶轮内部流场的数值模拟产生了深远的影响i s , 6 。( b ) 分区考 虑粘性效应的数值模拟：从1 9 8 0 1 9 9 0 年期间，流动数值模拟开始综合考虑 离心泵叶轮内部流动的粘性、回流及漩涡对叶片泵内部流动的影响。此间计 算机技术也迅速发展，使得复杂的数学求解得以实现。( c ) 三维粘性流动数 值模拟：2 0 世纪9 0 年代开始，大容量、高速度计算机的出现、矢量机的问世 和并行化技术的发展，极大地推动了计算流体力学的发展。这时人们开始结 合湍流模型直接求解雷诺时均方程，叶片泵流场模拟计算进入全三维的粘性 数值模拟时期。 全三维粘性流动数值模拟是现在叶片泵流场数值模拟的主要方法，它又 包括：( a ) 大涡模拟：大涡模拟的主要思想是把湍流运动分成大尺度涡和小 尺度涡，大尺度涡用直接数值求解，小尺度涡则采用“亚格子模型”与大尺 度涡发生联系，从而得到闭合解。( b ) 直接模拟：直接数值模拟所采用的数 值方法多为谱方法或伪谱方法。但是，湍流直接数值模拟的研究还受限于计 算机的速度和容量，完全的数值模拟还不能计算高雷诺数的流动。( c ) 模式 理论：在当前大涡模拟和直接模拟还不十分成熟的情况下，许多学者对湍流 模式作了很多研究，模式理论发展繁荣。 6 西华大学硕士学位论文 湍流模型的研究：在利用原始变量( 速度和压力) 求解不可压缩雷诺时均 化的n s 方程时，需要用湍流模型来封闭才能求解。湍流模型的研究水平己 成为制约叶片泵内流数值模拟精度的一个重要的因素。目前还没有普遍适用 的湍流模型，当前在叶片泵内流计算中所采用的湍流模型主要有零方程模型、 一方程模型和双方程模型，其中以k s 双方程模型用的最多。使用高阶各向 异性的k 一占湍流模型结合雷诺时均化的n s 方程，计算叶片泵内部的三维湍 流，是湍流模型研究的发展趋势1 5 , 7 , s 】。清华大学吴玉林等人利用k 一占湍流模 型以及由c h e n ，ys 发展的s i m p l e c 算法1 5 1 ，进行叶片泵内部的二维湍流计 算，成功地得到了叶片泵内流场的速度、压力及紊动能的分布t g l 。李文广运 用p h o e n i c s 软件计算了叶片泵内部的三维湍流，并把计算结果与l d v 的 测量结果进行了对比 s , l o l ，为c f d 软件在叶片泵内流场数值模拟中的运用积 累了经验；唐辉、何枫等人用f l u e n t 进行叶片泵内流场的数值模拟【l 。 未来c f d 通用软件在叶片泵内流场数值模拟中的应用将会越来越多，它 的发展将在很大程度上推动叶片泵内流场数值模拟的发展。 1 3 2 叶片泵的结构分析技术的发展及应用 获得叶片泵内部流体的特性并清楚地了解流体对固体的影响后，接着就 要分析固体在流体作用下的力学特性，以及固体对流体域的影响。这就涉及 到叶片泵的结构分析技术，其发展趋势对叶片泵的“流一固”分析技术有重要 影响。 一般情况下，叶片泵的内部结构复杂，叶轮表面大多是由复杂的雕塑曲 面组成，对这样的零部件进行结构分析十分困难。传统的叶轮结构分析方法 有：( a ) 常规简化计算方法：这是一个比较近似地推导叶轮上的轴向力和离 心力，再把叶片简化成悬臂梁，校核其强度的方法。文献【1 2 1 中，推荐采用这 种计算方法。( b ) 二次计算法：这种方法是根据离心机械中叶轮轮盘应力计 算的基本方程式，用迭代法导出对叶轮进行应力计算的迭代公式和求解方法。 上面两种方法都对叶轮进行了简化、假设，因此只能粗略的预测叶轮的应力 应变，所以两种方法只有在取较大校核安全系数且结合模型试验或真机试验 7 西华火学硕士学位论文 的前提下才能应用。 随着计算机技术的快速发展和有限元理论的不断完善，近年来有限元结 构分析方法开始在叶轮结构分析被广泛使用。在有限元结构分析的初始阶段， 由于计算能力的限制，采用的是叶轮整体半解析有限元方法，这种方法采用 壳单元与环单元耦合的形式对整体叶轮进行分析。蔡显新和初月平【1 3 1 分析离 心叶轮、轴流叶轮整体应力时就采用了半解析有限元方法。他们采用了很多 假设：在叶片与叶轮交界面上，近似地认为作用力是沿周向均匀作线分布；叶 片与转轮在交界面上沿径向和轴向位移相同，由此近似地保证叶片和转轮在 边界面上的位移协调性；叶片根部各节点沿周向的位移及各转动位移均为零。 由于此方法考虑了叶片与转轮之间的耦合关系，同时对于叶片采用三维壳单 元模拟，对于轮毂采用二维轴对称单元模拟。这种方法主要是针对叶片给予 转轮的根部集中应力，考虑叶片与转轮相连处的协调性，充分体现叶片的空 间形状，运用周向变量由傅里叶级数表示的半解析有限元方法，因而具有良 好的精度及省时性，为整体叶轮的强度分析提供了一种有效手段。 现在随着计算机计算能力的提高和数值计算方法的不断改进，大型有限 元分析软件在叶片泵研究方面得到了充分应用。西安交通大学邱凯、王尚锦 和徐自立【1 4 】针对叶片泵叶轮由于气体激振频率和叶轮固有频率相近所引发的 振动这一问题，利用叶片泵叶轮的周期性特点，将计算简化为对叶轮的一个 叶道进行，同时借助三维有限元方法对叶轮强度进行校核，最终还求得了叶 片上应力等值线，也较好地反映了离心泵叶片上的应力分布情况。 在叶片泵结构设计分析领域，已经越来越多的采用有限元法进行数值模 拟计算。随着大型通用有限元软件的广泛应用，这一趋势将更加明显。 1 3 3 叶片泵的“流固”耦合结构分析技术的状况及发展趋势 ， “流一固”耦合动力学是固体力学和流体力学交叉形成的一个动力学分 支，“流一固 耦合力学的重要特征是两相介质之间的交互作用( f s i ：f l u i d s o l i d i n t e r a c t i o n ) ，“流一固耦合问题可由其耦合方程来定义。这组方程的定义域同 西华大学硕士学位论文 时有流体域与固体域，而未知变量含有描述流体现象的变量及描述固体现象 的变量。 “流一固耦合问题的研究历史可追溯到1 9 世纪初，人们对“流一固”耦 合现象的早期认识源于机翼及叶片的气动弹性问题。v o l k e r c a r s t e n s t l 剐对涡轮 机械叶片的颤振性能进行了分析，文中采用n e w m a r k 的时间积分算法对结构 的气动弹性控制方程进行求解，非定常的空气荷载由每一个时间步长上的n s 方程求解得到。v a r i z i o t i s t l 6 1 对风力机气动弹性稳定性问题的一些研究方法 和结果进行了阐述。 进入2 0 世纪9 0 年代，国内学者开始将“流一固”耦合技术应用到水轮机研 究领域，在水轮机过流部件的振动特性及模态分析方面作了一些有益的探索。 王正伟n 刀等提出了水力机械转轮运行时三维“流一固”耦合振动数值计算的有 限元数学模型，其中以位移一速度势作为连续场变量的计算格式，在流体运动 方程中考虑流动的三维复杂性，使方程更附合“流一固 耦合运动的本质，文 中假设液体无粘性，绝对运动有势，不可压缩及小的流场干扰：叶片在弹性 变形范围内，不计叶片本身阻尼。瞿伦富【l8 】等采用此模型，计算了轴流式机 组桨叶在空气中振动和在过流通道中“流一固”耦合振动的主频和主振型。 李舜酩 1 9 1 等对水轮机转轮结构进行力学模型简化并放入水中，形成复杂 “流一固”耦合系统( c 系统) ，推导出了其群即约子空间的广义组合模态质、 刚阵，并推导了解耦的液固耦合振动方程。进行模态缩聚，得到了系统液固 耦合情况下的固有特性。于建华【2 0 1 等以灯泡贯流式机组为对象，讨论了水介 质下的结构的自由振动的控制方程，着重对动水压力向量及附加质量阵的计 算进行了阐述。文中假设流体为理想流体，采用有限元方法对求解区域和控 制方程进行离散，分析了水介质下的结构的动态特性。 肖若富2 1 】等通过对固液界面的压力和法向加速度的分析，并引入虚功原 理的附加质量，得到弹性体在液体中的结构方程，并应用此方程对水轮机固 定导叶在水中的固有频率和固有振型进行解析，对固定导叶在运行过程中产 生的共振进行了分析及预测，此外，还分析了“流一固”耦合作用对水轮机固 定导叶振频振型的影响。在计算中假设液体无粘性、不可压缩及流动无旋。 9 西华大学硕士学位论文 谷朝红 2 2 1 等采用有限元法与边界元法相结合的方法来计算水轮机部件“流一 固”耦合振动问题。结构用有限元离散，用边界元计算结构周围的流体。计 算中假定流体作理想的、无粘、无旋且不可压缩的有势流动。编制了结构水 下“流一固”耦合振动的通用计算程序，并对轴流式转轮叶片进行了“流一固” 耦合计算。 国际上，“流一固”耦合动力学的研究通过向数学、物理学等基础学科借 鉴，与计算机技术相结合，新的研究领域不断涌现，研究和实验手段更加现 代化。“流一固”耦合动力学的研究随时间的推移，越来越受到关注。加拿大 g e 水电公司将叶形设计、流场分析和结构分析有机的结合在一起，形成了一 套完整的水轮机叶轮开发体系。 可以看出现在“流一固耦合结构分析研究还主要集中在水轮机领域，而 且将叶形设计、流场分析和结构分析有机的结合在一起进行结构优化和结构 分析还很少，在该领域的研究工作有待进一步加强。从国内的叶片泵结构分 析技术的发展趋势来看，将采用流场分析和结构分析相结合的“流一固”祸合 结构分析进行结构优化设计必然是发展的方向。 1 4 本文的主要工作 主油泵作为汽轮机组供油系统的动力源和核心设备，其流体动力和结构 力学性能间接地对汽轮机组的运行安全性和可靠性有非常大的影响。本课题 结合6 0 0 m w 汽轮机组主油泵的结构优化工程实际要求，以6 0 0 m w 汽轮机组主 油泵叶轮为研究对象，研究在高压流体和高转速工作下该叶轮的结构动力学 特性及可靠性。 本文在深入分析主油泵在油系统中的工作状况及内部流场流体动力学模 型和结构动力学模型的基准上，针对主油泵的特点，分析确定流道的流体动 力学模型及数值模拟方法，叶轮的结构静力学和转子动力学模型及其数值模 拟方法，并建立了主油泵叶轮“流一固”耦合结构分析的力学模型。根据“流 一固”耦合结构分析的需要，分别建立“流一固”耦合分析中流体域和固体域 l o 西华大学硕士学位论文 的三维几何模型。在对叶轮的实际受力情况进行深入分析后，考虑到工程实 际情况，确定边界条件。 为了提高分析的可靠性，首先采用以计算流体动力学( c f d ) 软件进行 主油泵的全流道流场数值模拟，计算出作用在叶轮流道表面上的流体压力分 布。再将流场数值模拟结果传递给叶轮结构分析，用a n s y s 进行有限元 ( f e m ) 结构分析，初步实现了采用“流一固”耦合结构分析( f s i ) 技术对 主油泵叶轮进行结构静力学分析和模态分析转子动力学分析。为了分析叶轮 在空气中和正常工作状态的力学特性差异，分别对于两种工作介质进行了计 算。考虑到工程实际情况，分别对于两种条件进行超速1 2 0 的工况行了计算 分析。通过对这些工况的计算分析，掌握了主油泵叶轮结构的各项力学性能， 如刚度、强度以及模态特性、自振频率等。根据计算结果，验证了该部件的 工作可靠性，为保证主油泵在实际工作中能够安全运行提供了理论依据，为 6 0 0 m w 汽轮机组主油泵的