[發明專利]一種水輪機轉輪葉片動水壓力分析方法

有效

• 申請號: 202011619709.1
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112818475B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 王玉江;黃院星;李俊明;林賢坤;葉燕帥
• 申請（專利權）人: 廣西科技大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23;G06F30/28;G01M10/00;G01L11/00;G06F119/14
• 代理公司: 廣西中知華譽知識產權代理有限公司 45140
• 代理人: 趙龍

1.一種水輪機轉輪葉片動水壓力分析方法，其特征在于，包括下述步驟：

S1.水輪機轉輪葉片模型的建立：對轉輪葉片建立圓柱坐標系，且所述圓柱坐標系的三個坐標變量R、θ、Z分別為所述轉輪葉片位置距離轉輪軸線的半徑、瞬時時刻所述轉輪葉片位置的轉動角度、所述轉輪葉片位置的深度；根據所述轉輪葉片上水流的流線線形和所述轉輪葉片的徑線及軸線，將所述轉輪葉片劃分為多個單元，且每一所述單元均設有所述轉輪葉片冠處節點及所述轉輪葉片下環處節點，根據所述轉輪葉片冠處節點及所述轉輪葉片下環處節點獲得軸向線形與徑向線形相交的節點C_ij及相交的單元J_ij，以建立所述轉輪葉片的準三元有限元模型；

在步驟S1中，根據所述轉輪葉片上水流的流線線形，通過m+1條徑線和n+1條軸線將所述轉輪葉片劃分為(m+1)(n+1)個單元，所述轉輪葉片上冠處的節點依次為C₀₀,C₁₀…C_i0…C_n0，所述轉輪葉片下環處的節點依次為C_0m,C_1m…C_im…C_nm；所述轉輪葉片進水邊的節點依次為C₀₀,C₀₁…C_0j…C_0m，所述轉輪葉片出水邊的節點依次為C_n0,C_n1…C_nj…C_nm；所述節點C_ij為第i+1條軸向線形C_i0C_im相交于第j+1條徑向線形C_0jC_nj的節點，且所述節點C_ij的坐標為(r_ij,θ_ij,z_ij)；所述單元J_ij為軸向線形C_i0C_im、C_(i+1)0C_(i+1)m與徑向線形C_0jC_nj、C_0(j+1)C_n(j+1)相交的區域，且所述單元J_ij的范圍為(1≤i≤m,1≤j≤n)；

S2.水輪機轉輪葉片節點處平均動壓力的計算：將水輪機轉輪的蝸殼進口斷面的中心點處設為參考點，并計算出所述參考點的壓力值p_c以及所述節點C_ij與參考點的壓力差值Δp_ij，根據所述參考點的壓力值p_c以及所述節點C_ij與參考點的壓力差值Δp_ij，獲得所述轉輪葉片節點C_ij處的平均動壓力

在步驟S2中，所述參考點的壓力值p_c的計算方式為：

式中，ρ為水的密度，g為重力加速度，H為水輪機水頭，為蝸殼進口斷面的平均流速，為所述蝸殼進口斷面的平均流速；S2中，根據伯努利方程，所述節點C_ij與所述參考點的壓力差值Δp_ij為：

式中，z_ij、z_c分別為所述節點C_ij和所述參考點位置的Z軸坐標；v_ij為節點C_ij的速度絕對值；

根據水輪機轉輪葉片的準三元理論及混流式轉輪葉片流線上的速度矩變化規律，獲得節點C_ij的速度絕對值v_ij為：

式中，κ為常數，根據所述轉輪葉片的翼型確定；L_ij為節點C_0j和C_ij間的弧長長度；l_i為節點C_0j和C_nj間的弧長長度；v_0j、v_nj分別C_0jC_nj流線上進水邊節點C_0j和出水邊節點C_nj的速度絕對值；

所述轉輪葉片進水邊和所述轉輪葉片出水邊的流速沿Z軸方向逐漸增加，根據所述轉輪葉片進口邊及所述轉輪葉片出口邊的平均流速獲得進水邊節點C_0j及出水邊節點C_nj的速度絕對值為：

式中，分別為所述轉輪葉片進口邊和所述轉輪葉片出口邊的平均流速，

其中，

式中，Q為流量，D₀為導葉出水邊所在的圓周直徑，b₀為導葉高度，α₀為導葉出口水流角；ω為所述轉輪葉片的角速度，β₂為所述轉輪葉片出口水流角，A為水輪機轉輪出口過流面積，A＝pd₂(r_n0+r_nm)，d₂為出水邊所述轉輪葉片弧長長度；

將公式(6)、公式(7)、公式(8)、公式(9)代入至公式(5)，獲得出水邊節點C_nj的速度絕對值v_nj為：

根據公式(1)、公式(4)、公式(10)獲得所述節點C_ij與所述參考點的壓力差值Δp_ij為：

S3.水輪機轉輪葉片節點處壓力脈動的計算：根據所述轉輪葉片的通過頻率倍頻，獲得動靜干涉下所述節點C_ij的壓力脈動p′_ij；

所述轉輪葉片節點C_ij處的平均動壓力為所述參考點的壓力值p_c加上所述節點C_ij與所述參考點的壓力差值Δp_ij，且所述轉輪葉片節點C_ij處的平均動壓力為：

在步驟3中，動靜干涉下節點C_ij的壓力脈動p′_ij計算方法為：

式中，K為自然數；Z_g為所述轉輪葉片數；k_ij為所述轉輪葉片壓力脈動幅值在節點C_ij處的變動系數，且k_ij根據水輪機所述轉輪葉片翼型確定；為所述轉輪葉片K倍通過頻率時動靜干涉引起的壓力脈動相位，且根據轉輪系統的導葉與所述轉輪葉片的初始位置確定；

B_K為所述轉輪葉片K倍通過頻率時動靜干涉引起的壓力脈動幅值，且所述轉輪葉片K倍通過頻率時動靜干涉引起的壓力脈動幅值B_K根據節點C_ij的流速獲得：

式中，δ_K為所述轉輪葉片K倍通過頻率時壓力脈動的壓力系數；

根據公式(1)、公式(13)、公式(14)獲得動靜干涉下節點C_ij的壓力脈動p′_ij為：

S4.水輪機轉輪葉片的動水壓力模型的建立：將所述轉輪葉片節點C_ij處的平均動壓力與動靜干涉下所述節點C_ij的壓力脈動p′_ij進行相加，獲得動靜干涉下所述轉輪葉片節點C_ij的動水壓力p_ij；根據所述動水壓力p_ij獲得所述轉輪葉片單元J_ij任意位置(r,θ,z)在t時刻的動水壓力模型；

動靜干涉下水輪機轉輪葉片節點C_ij的動水壓力p_ij為平均動壓力與動靜干涉下的脈動壓力p′_ij之和，且根據公式(12)、公式(15)獲得動靜干涉下水輪機轉輪葉片節點C_ij的動水壓力p_ij的計算方式：

根據動靜干涉下水輪機轉輪葉片節點C_ij的動水壓力p_ij的計算方式，獲得所述單元J_ij上節點C_(i+1)j、C_(i+1)(j+1)、C_i(j+1)的動水壓力，并且根據所述單元J_ij上節點C_(i+1)j、C_(i+1)(j+1)、C_i(j+1)的動水壓力獲得水輪機轉輪葉片單元J_ij任意位置(r,θ,z)在t時刻的動水壓力數學模型：

2.根據權利要求1所述的一種水輪機轉輪葉片動水壓力分析方法，其特征在于：

在步驟S2中，所述蝸殼進口斷面的平均流速計算方式為：

式中，H為水輪機水頭；

根據公式(1)及公式(2)獲得：

p_c＝ρgH-0.5ra²H?????????????????????公式(17)

其中，a為蝸殼進口斷面的流速系數，對于金屬蝸殼a＝0.7-0.8。