轴流风机动叶异常偏转及失速状态下的流固耦合研究

摘要

轴流风机是电站常用的轴流增压式叶轮机械，是电厂的重要设备之一。随着能源需求和环保需求的快速发展，电站设备的高效性和稳定性越来越受到重视，因此电站大多使用效率高、容量大的动叶可调式轴流风机。实践表明复杂多变的运行工况经常导致风机出现失速、喘振、动叶安装角漂移等问题，其中动叶异常偏转会不同程度的影响风机的失速特性，而风机在失速状态下长期运行会导致叶片出现裂纹、磨损甚至断用轴流风机为研究对象，对正常风机和第二级相邻两动叶异常偏转角度为-9°、-+9°、+9°和+-9°四种情况下的风机进行了失速模拟，分析了不同异常偏转角度对叶轮流场特性的影响。模拟结果表明：完全失速工况下，正常叶轮和各异常叶轮内均产生了大约占据一半流道的失速团，静压分布出现明显的周向不均，失速团所在流道内存在较明显的负压区。正常叶轮与异常叶轮流道内的回流均首先起始于吸力面，流向叶片压力面，并最终返回吸力面。 基于流场模拟数据，对正常叶轮和各异常叶轮进行了单向流固耦合研究。结果表明，异常偏转叶片对叶轮静力特性影响较大，+9°、-9°、+-9°和-+9°叶轮由于异常叶片的存在均不同程度的增加了叶轮的最大变形量和最大应力值，正向偏转的异常叶片与负向偏转的异常叶片相比加大了叶轮发生断裂、变形的风险。异常偏转叶片对叶轮动态特性影响较小，各叶轮的固有频率和振型分布大致相似，最大总变形均出现在叶顶附近。通过频域分析发现，完全失速工况下流道内的主激振力频率以失速频率为主，各异常叶轮的失速频率与正常叶轮大致相同。根据频率余量计算公式得出，正常叶轮和各异常叶轮的共振裕度均远大于安全范围，因此不会发生共振风险。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 旋转失速研究现状

1.3 流固耦合的研究现状

1.3.1 流固耦合研究背景及意义

1.3.2 流固耦合数值算法研究进展

1.4 本文主要研究内容

第2章 轴流风机旋转失速数值模拟

2.1 引言

2.2 数值计算方法

2.2.1 几何模型及网格划分

2.2.2 边界条件

2.2.3 湍流模型和控制方程

2.3 流场模拟结果及分析

2.3.1 相对速度流线图

2.3.2 静压分布云图

2.4 本章小结

第3章 轴流风机叶轮静力特性研究

3.1 引言

3.2 流固耦合基本步骤

3.3 叶轮有限元计算模型

3.4 叶轮强度分析

3.4.1 设计工况下叶轮强度分析

3.4.2 失速工况下叶轮强度分析

3.5 叶轮刚度分析

3.5.1 设计工况下叶轮刚度分析

3.5.2 失速工况下叶轮刚度分析

3.6 本章小结

第4章 轴流风机叶轮振动特性研究

4.1 引言

4.2 失速频率计算

4.2.1 监测点时域分析

4.2.2 监测点频域分析

4.3 叶轮振动分析

4.3.1 叶轮固有频率分析

4.3.2 叶轮振型分析

4.3.3 叶轮共振特性分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢