混流式水輪機轉輪葉片失效研究背景現(xiàn)狀和意義

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1、混流式水輪機轉輪葉片失效的研究背景現(xiàn)狀及意義丁寧(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院淮安生物工程分院,江蘇淮安223200)摘要：隨著國家對水力資源的梯級開發(fā)，水輪發(fā)電機組的發(fā)電量也呈幾何增長的趨勢。在我國的各類發(fā)電總量中，所占的比例越來越高。因此，水輪發(fā)電機組的運行穩(wěn)定性，關系到水電站的發(fā)電效率和經濟效益?；炝魇剿啓C轉輪在正常運行時，會因為水利因素導致轉輪葉片發(fā)生疲勞斷裂或者出現(xiàn)裂紋，導致的結果是檢修十分困難，且維護周期較長，過程繁瑣。因此，水輪機轉輪葉片的失效對發(fā)電機組的運行具有非常深遠的影響。關鍵詞：混流式水輪機轉輪葉片失效一、研究的背景作為水力發(fā)電的動力源，水能是一種清潔的、可再生資源。我國的

2、水能資源非常豐富，蘊藏量居世界第一，約為6.7×105MW。其中，技術可開發(fā)資源約為1.9×1013kW·h，經濟可開發(fā)資源約為1.3×1013kW·h。全球主要國家水能資源可開發(fā)情況，如圖1所示。2008年至今，我國的水電開發(fā)力度逐漸加強，發(fā)電量呈顯著增長趨勢，如圖2所示。未來5年我國的能源戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃中，水電裝機容量將進一步提高，至2020年，擬將裝機規(guī)模提高至30×105MW，約占全國各類發(fā)電總量（風電、火電、核電）的26%左右。由此可見，發(fā)展水電工程，在快速推進國民經濟發(fā)展的同時，還能夠減少因火力發(fā)電所造成的大氣污染問題，切實保護環(huán)境。5圖1全球水能資源可開發(fā)情況在水力發(fā)電的能量轉

3、換過程中，水輪機是完成該環(huán)節(jié)的核心設備。由此可見，機組的運行穩(wěn)定性，是決定水電站經濟效益的關鍵。常用的水輪機類型，包括混流式、貫流式、斜流式以及軸流式四大類。其中，混流式水輪機的應用最為廣泛。據文獻的統(tǒng)計結果顯示，目前我國的大中型水電站合計134個，水輪機的總數為479臺，采用混流式機組的電站數目為92個，總數為318臺。該數據表明，我國水能資源分布的特點，比較適合混流式水輪機的開發(fā)。而決定混流式水輪機性能的關鍵部件，就是轉輪。圖2中國水電年發(fā)電量研究表明，混流式水輪機在運行中出現(xiàn)的問題，大多是由轉輪的水力特性所引起。因此，研究混流式水輪機轉輪的運行穩(wěn)定性問題，對于延長機組的使用壽命、減少

4、機組的故障發(fā)生率、提高電站的經濟效益，有著舉足輕重的意義。二、國內外研究現(xiàn)狀針對如何減輕轉輪裂紋產生的程度問題，國內外均做了不少的研究。以目前而言，大多數都會在流固耦合的假設前提下進行研究分析。流固耦合原理，是指轉輪在水流的作用下運行時，葉片結構發(fā)生振動或是彈性變形等情況，對水流產生一個反作用，從而影響水流的流態(tài)，以致出現(xiàn)水流和葉片結構相互作用、相互影響的復雜狀態(tài)。在數值計算中，考慮到該因素，能夠使得機組的運行條件和實際趨于一致，計算精度更高。1．國外研究現(xiàn)狀5目前，國外對流體機械裂紋的研究方面，主要是從應力數值計算、振動特性分析以及是否考慮流固耦合因素等方面展開。2010年，英國南安普頓

5、威賽克斯研究中心的R.A.Saeed與A.N.Galybin等人利用CFD分析技術，計算出了大尺寸轉輪葉片在各工況下的應力分布情況，以此判別葉片是否會產生裂紋。2013年，加拿大赫氏能源公司的ChadVanderWoude和SriramNarasimhan在不考慮風力機葉片的部分質量影響條件下，開發(fā)了非線性隔振系統(tǒng)。2014年，馬來西亞馬拉工業(yè)大學MohammadAzzeimMatJusoh,MuhamadFauziOthman等開發(fā)了小型混流式水輪機應力試驗系統(tǒng)，并測試出了模型轉輪葉片的應力分布。2015年，美國猶他大學DanGerszewski，LadislavKavan以及Peter

6、‐PikeSloan等提出了基于混合分析模型的流固耦合簡化算法，在減少數值計算工作量的同時，也達到了相當高的計算精度。2．國內研究現(xiàn)狀我國關于流體機械裂紋的研究，處于迅速發(fā)展的階段，并取得了不少的成果。2010年，昆明理工大學楊圣輝利用滑移網格技術，分別完成了水輪機在靜止和額定工況下的非定常流固耦合計算。2013年，中國農業(yè)大學副教授肖若福、朱文若利用FCBI-C算法，模擬出了雙向流固耦合的轉輪振動特性。同年，哈爾濱大電機研究所高級工程師龐立軍、呂桂萍等在基于葉柵干擾激振的假設前提下，計算出了高水頭機組的振動特性，并針對性地提出了減輕轉輪裂紋的措施。2014年，浙江大學方兵教授在轉輪流固耦

7、合數值計算的研究中，分別對單向和雙向流固耦合算法進行結果精度比較，得出了偏差較小的計算方法。同年，水力發(fā)電設備國家重點實驗室李永恒分析了離心力載荷影響下，轉輪的疲勞強度性能。2015年，河海大學闞闞、鄭源以及趙連輝等人在考慮SSTk-w近壁區(qū)域模型條件下，應用順序耦合法分析出了轉輪葉片容易發(fā)生裂紋的區(qū)域和機組運行條件。同年，電子科技大學王旭、胡洪等人采用模態(tài)分析法，在振動性能分析中，計算出了偏差率較小的機組固有頻率。華中