【正文】 動進口邊界條件一般有三種設置方法：壓力進口、速度進口和質量流量進口邊界條件本文在對軸流式水輪機三維導葉流道流動進行數(shù)值計算時進口邊界條件給定為導葉進口質量流量　　流動出口邊界條件一般設置在離幾何擾動足夠遠的地方在這種位置流動是充分發(fā)展沿流動方向沒有變化在此設置一個垂直于流動方向的面然后便可施加流動出口邊界條件出口邊界條件主要有壓力出口和質量流量出口兩種邊界條件本文在對軸流式水輪機三維導葉流道流動進行數(shù)值計算時出口邊界條件給定為導葉出口平均靜壓等于零　　固壁面是流動問題中最常用的邊界對于固壁面邊界條件除壓力修正方程外各離散方程的源項需要作特殊處理壁面即可以設置為無滑移或滑移壁面對于近壁區(qū)域的流動的處理方法通常有兩種：使用低雷諾數(shù)標準k ε模型或使用壁面函數(shù)法本文中采用了壁面函數(shù)法并且在對軸流式水輪機三維導葉流道流動進行數(shù)值計算時固壁面邊界條件給定為無滑移邊界條件即 定常流動計算結果分析　　在定常流動計算中主要通過給定導葉進口流量和導葉出口相對壓力并控制收斂殘差使之小于允許范圍得到穩(wěn)定流動下的結果文件本文主要針對導葉的動力特性進行分析故需要以導葉的流場分析作為后面剛強度的基礎并為剛強度分析提供壓力荷載所以著重對定常流動計算結果的葉片進行分析（1）計算域流線如下圖：　　　　圖34 流線圖　　（2）計算域壓力分布云圖如下：　　　　圖35 壓力分布云圖 導葉的模態(tài)分析與靜力分析 此次畢業(yè)設計的導葉模態(tài)分析和靜力分析都是通過ANSYS平臺軟件進行的首先將之前建立的導葉模型導入ANSYS軟件定義導葉的屬性為彈性模量：1011Pa泊松比：密度：7850kg/m3葉片材料采用馬氏體不銹鋼許用應力為196MPa極限破壞應力為550MPa然后對其劃分網格劃分網格如下圖其中單元節(jié)點數(shù)為47664個圖36 有限元網格圖 約束施加 軸流轉輪的導葉通過轉軸與輪轂與軸套連接當正常工況時可視為三個自由度為0的固定約束故將其約束面定義為轉軸的表面約束形式為全約束　　本文采用的載荷施加方式是把水壓力施加到轉輪葉片的有限元模型上也就是以節(jié)點一對一的形式加載至有限元網格單元節(jié)點處以上這些體力和節(jié)點應力都通過ANSYS分析軟件中的APDL語言來實現(xiàn)加載　　模態(tài)分析是研究結構動力特性一種方法是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領域中的應用模態(tài)是機械結構的固有振動特性每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型也是研究水輪機模型剛強度的最基本的研究手段和分析方法固有頻率的計算可以給出避免結構發(fā)生共振或以特定頻率進行振動的外界激勵范圍并且掌握結構對于不同類型的動力荷載是如何響應的　　物體按照某一階固有頻率振動時物體上各個點偏離平衡位置的位移是滿足一定的比例關系的可以用一個向量表示這個就稱之為模態(tài)　　物體都具有自己的固有頻率在外力的激勵作用下物體會表現(xiàn)出不同的振動特性　　一階模態(tài)是外力的激勵頻率與物體固有頻率相等的時候出現(xiàn)的此時物體的振動形態(tài)叫做一階振型或主振型；二階模態(tài)是外力的激勵頻率是物體固有頻率的兩倍時候出現(xiàn)此時的振動外形叫做二階振型以依次類推　　一般來講外界激勵的頻率非常復雜物體在這種復雜的外界激勵下的振動反應是各階振型的復合　　模態(tài)是結構的固有振動特性每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析　　有限元中模態(tài)分析的本質是求矩陣的特征值問題所以階數(shù)就是指特征值的個數(shù)將特征值從小到大排列就是階次　　本次模態(tài)分析由于受到計算機硬件的制約只進行了5階的固有頻率分析下圖為五階振型圖： 一階 二階 三階 四階 五階圖37 模態(tài)振型圖 靜力分析　　　　圖38 應力分布圖分布在導葉下端面軸頸處 帶裂紋缺陷的導葉的導葉分析 帶裂紋導葉的模型圖39 裂紋圖 帶裂紋導葉有限元網格劃分圖310 帶裂紋的導葉有限元網格圖 模態(tài)分析結果 一階 二階 三階 四階 五階圖311 帶裂紋導葉模態(tài)分析圖 靜力分析結果圖312 靜力分析結構圖位置處于裂紋處 結論正常導葉與帶裂紋導葉固有頻率比較如下：(其中單位為Hz)
一階
二階
三階
四階
五階
正常導葉
裂紋導葉
由此可以看出缺陷導葉各階固有頻率都比正常導葉各階固有頻率大；正常導葉的最大壓力點位于導葉下端面背面軸頸處明顯比正常導葉大許多故有裂紋缺陷的導葉處于更危險的工作狀態(tài)更容易達到破壞的界限所以要盡量避免使用有裂紋的導葉；4 總結　　本次畢業(yè)設計的任務首先是對軸流式水輪機進行了全面的結構設計其次是對該水輪機的活動導葉進行了模態(tài)分析和靜力分析這其中要用到的CAD軟件和CFD軟件包括Auto CAD、MDT、ICEM、CFX以及ANSYS等　　在本次畢業(yè)設計過程中我遇到了許多此前從未遇到過的挫折和困難比如說對CFD軟件的不熟悉對科研課題的分析研究過程不熟悉對科學論文的撰寫方法和書寫語言的陌生以及對專業(yè)英語詞匯的匱乏等等但由于我具有堅韌的性格和不屈的精神我在圖書館不斷尋找與之相關的書籍來研究同時虛心向老師和師兄師姐們請教終于通過自己的努力克服了這些弱點和困難本次畢業(yè)設計讓我對未來要走的道路有了更清楚的認識同是樹立了我對未來的研究生學習生涯的信心因此此次畢業(yè)設計對我是一次難得的訓練　　通過這次系統(tǒng)的畢業(yè)設計我對大學本科所學的專業(yè)知識有了系統(tǒng)的復習和掌握尤其對水輪機結構有了更充分的認識對水輪機的設計過程也有所感悟對Auto CAD軟件使用得更加熟練了同時我開始熟悉研究生期間要學習和掌握的軟件對數(shù)值模擬分析計算也有了一定的了解學會了閱讀科學文獻對專業(yè)外語文獻也有所接觸同時學會了撰寫論文的基本知識這對我上研究生打好了堅實的基礎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　致謝　　 感謝***老師、***老師***老師等對我畢業(yè)設計的細心指導和嚴格監(jiān)督；感謝***師姐***師兄***師兄以及杜楠師姐平時對我的監(jiān)督和細心指教；同時感謝***和***！ 參考文獻[1] [J] .甘肅水利水電技術2002[2] 郝繼武王春雷 轉漿式水輪機葉片密封的改進.《大電機技術》2006年第三期[3] 哈爾濱大電機研究所《水輪機設計手冊M》 北京：機械工業(yè)出版社 1976年[4] 12[5] 劉大愷.《水輪機（第三版）》.[6] 溫曉軍. 《中國水利》2002年6期[7] 王華任超音速噴涂耐泥沙磨蝕技術 《東方電機》2006年第1期[8] 潘春國[9] 郭鵬程鄭小波梁武科. 中小型水電站水輪機轉輪改型設計的必要性和可行性. 西北水力發(fā)電. 第18 卷第2 年6 月 [10] （水輪發(fā)電機組設計手冊第一部分）.[11] 高賢明去氫熱處理工藝研究《東方電機》2007年第1期[12] 高梅英宋 璞 期 [13] 張昊辰[14] EisingerR.Ruprecht A. Automatic shape optimization of hydro turbine ponents based on CFDinstitute of Fliut Mechanics and Hydraulic Machinery. University of [15] Ales SKOTAKJiri optimization of a Kaplan Turbine IAHR 2006????????：基于ANSYS平臺軸流式水輪機應力應變分析2013屆熱能與動力工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文）01`47 / 47