水輪機(jī)中強(qiáng)大的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)可能給機(jī)械的性能、壽命和安全造成嚴(yán)重的不利影響。它會(huì)導(dǎo)致噪聲、裂紋乃至機(jī)械故障。

全球領(lǐng)先的水電設(shè)備、技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強(qiáng)烈振動(dòng)可能導(dǎo)致混流式水輪機(jī)導(dǎo)流葉片出現(xiàn)疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機(jī)中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環(huán)繞在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪周圍。靜態(tài)的導(dǎo)流葉片用于調(diào)節(jié)并將水流導(dǎo)向轉(zhuǎn)輪的外沿。

在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部，水壓的勢能轉(zhuǎn)化為扭矩，促使轉(zhuǎn)輪和連著的軸和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。水從下方垂直離開轉(zhuǎn)輪，并進(jìn)入尾水管，剩余的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為額外的壓力水頭。

使用結(jié)構(gòu)仿真，Voith 的工程團(tuán)隊(duì)排除導(dǎo)流葉片的自激勵(lì)和諧振是導(dǎo)致振動(dòng)的原因。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，他們判斷出轉(zhuǎn)輪葉片（而不是導(dǎo)流葉片）上存在渦旋脫落，其是導(dǎo)致振動(dòng)的原因。這部機(jī)器由24 個(gè)導(dǎo)流葉片和13 個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動(dòng)測量顯示所有的導(dǎo)流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內(nèi)的相同頻率上振動(dòng)，但無法在工作過程中對轉(zhuǎn)輪葉片的振動(dòng)開展測量。

導(dǎo)流葉片振動(dòng)的物理測量。圖片由Voith提供。

模態(tài)分析說明導(dǎo)流葉片自然頻率遠(yuǎn)離于測得的振動(dòng)頻率。圖片由Voith提供。

簡化水域中的轉(zhuǎn)輪聲學(xué)有限元模型。圖片由Voith提供。

為確定轉(zhuǎn)輪上渦旋脫落如何給導(dǎo)流葉片造成不利影響，該團(tuán)隊(duì)利用水域中轉(zhuǎn)輪的有限元模型進(jìn)行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉(zhuǎn)輪和流道之間的動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果證明是轉(zhuǎn)輪葉片后緣的激勵(lì)導(dǎo)致了振動(dòng)。仿真結(jié)果與測量得到的振動(dòng)頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉(zhuǎn)輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動(dòng)明顯得到減輕。

自激勵(lì)振動(dòng)與諧振

為判斷振動(dòng)的原因，Voith 的工程師從檢查諧振效應(yīng)的可能性或發(fā)生在自然頻率上的導(dǎo)流葉片自激勵(lì)振動(dòng)的可能性作為切入點(diǎn)。他們使用了ANSYS Mechanical 在水中為導(dǎo)流葉片創(chuàng)建有限元模型，然后使用無阻尼模態(tài)分析計(jì)算出前四種模態(tài)形狀。工程師發(fā)現(xiàn)不存在與所觀察到的振動(dòng)頻率接近的自然頻率，進(jìn)而說明不存在導(dǎo)流葉片諧振或自激勵(lì)。這一發(fā)現(xiàn)得到了物理測量的確認(rèn)。物理測量顯示所有的導(dǎo)流葉片均在統(tǒng)一狹窄的頻率范圍內(nèi)振動(dòng)，雖然幾何結(jié)構(gòu)和軸承條件的微小差異導(dǎo)致每個(gè)導(dǎo)流葉片有一些不同的自然頻率。

通過觀察Q參數(shù)，可以顯示應(yīng)變率張量的第二個(gè)不變量的等值面（包括壓力最小的封閉空間區(qū)域），以觀測流場中的渦旋，未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流葉片周圍的渦旋脫落。圖片由Voith提供

轉(zhuǎn)輪葉片的CFD仿真顯示渦旋脫落（由兩個(gè)不同Q參數(shù)實(shí)現(xiàn)的可視視圖）。圖片由Voith提供。

渦旋脫落

Voith 使用ANSYS CFX 開展非穩(wěn)態(tài)CFD 分析，以研究導(dǎo)流葉片上渦旋脫落的可能性。導(dǎo)流葉片上的后緣可用于防止渦旋脫落，并且分析顯示沒有脫落的跡象。因此工程師判斷這個(gè)問題不是導(dǎo)流葉片上的渦旋脫落造成的。接下來該團(tuán)隊(duì)在轉(zhuǎn)輪葉片上開展非穩(wěn)態(tài)CFD 分析。因?yàn)橹瞥傻暮缶壭螤羁赡芘c設(shè)計(jì)的形狀略有出入，工程師同時(shí)分析了與設(shè)計(jì)相同的倒棱緣和鈍角后緣。在頻率大約為220Hz 時(shí)，清楚觀察到鈍角后緣發(fā)生渦旋脫落，在370Hz時(shí)清楚觀察到倒棱后緣發(fā)生渦旋脫落。

對剛性轉(zhuǎn)輪而言，雖然所有的導(dǎo)流葉片在相同頻率下振動(dòng)，不同葉片和沿單個(gè)葉片后緣的渦旋脫落頻率一般不同。原因是如果在水中安裝的轉(zhuǎn)輪部分自然頻率位于渦旋脫落的頻率范圍之內(nèi)，且如果對應(yīng)的模態(tài)形狀包含后緣彎曲，則渦旋脫落頻率可能鎖定，并在自然頻率上發(fā)生諧振。這種鎖定效應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致大幅度振動(dòng)。

耦合動(dòng)力學(xué)行為

但是從轉(zhuǎn)輪葉片上分離的渦旋向下游移動(dòng)進(jìn)入尾水管時(shí)，不會(huì)直接影響到導(dǎo)流葉片。因此，即使鎖定效應(yīng)會(huì)造成放大的渦旋脫落，但必定有其它原因?qū)е聦?dǎo)流葉片上游方向傳播的壓力脈沖，。隨后，工程師使用ANSYSMechanical 開展了模態(tài)和諧波響應(yīng)分析，在使用流體單元?jiǎng)?chuàng)建的簡化水域中，用轉(zhuǎn)輪的聲振模型來研究整個(gè)轉(zhuǎn)輪和流道的耦合動(dòng)力學(xué)行為。有限元模型包括轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)參照系和完全軸對稱的靜態(tài)部件簡化模型。轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)在與軸連接處沿軸向和圓周方向固定，工程師將流固耦合界面與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)及聲學(xué)流體域進(jìn)行結(jié)合。這種對無阻尼聲振模型的簡化模態(tài)分析，可提供模態(tài)形狀和對應(yīng)的自然頻率。在測量得到的導(dǎo)流葉片振動(dòng)頻率范圍附近，工程師發(fā)現(xiàn)了多個(gè)自然頻率。大多數(shù)相關(guān)的聲振模態(tài)形狀均會(huì)在轉(zhuǎn)輪葉片后緣上呈現(xiàn)出嚴(yán)重的彎曲位移，并給導(dǎo)流葉片區(qū)域帶來顯著的壓力脈動(dòng)。

有兩條自然頻率為301Hz的沿直徑中心節(jié)點(diǎn)線的振動(dòng)聲學(xué)模態(tài)形狀的壓力場（左）和軸向轉(zhuǎn)輪位移（右）。圖片由Voith提供。

有三條自然頻率為325Hz的沿直徑中心節(jié)點(diǎn)線的振動(dòng)聲學(xué)模態(tài)形狀的壓力場（左）和軸向轉(zhuǎn)輪位移（右）。圖片由 Voith提供。

隨后開展了諧波響應(yīng)分析，以更清晰地掌握轉(zhuǎn)輪和配水環(huán)管區(qū)域的聲振效應(yīng)。轉(zhuǎn)輪被旋轉(zhuǎn)受力形態(tài)激勵(lì)，有明顯數(shù)量的直徑中心節(jié)點(diǎn)線存在。每個(gè)自然頻率都有特定模態(tài)形狀，其由直徑中心節(jié)點(diǎn)線的數(shù)量確定。每個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片上有單一力作用在與葉片表面垂直的后緣上。結(jié)果顯示有聲振諧振產(chǎn)生，造成顯著彎曲位移和高壓力脈動(dòng)。壓力和位移判據(jù)顯示：對于有三條沿直徑中心節(jié)點(diǎn)線的模態(tài)形狀，有295Hz 的清晰諧振峰值；對于有七條沿直徑中心節(jié)點(diǎn)線的模態(tài)形狀，有306Hz 的清晰諧振峰值。后者與測得的振動(dòng)頻率接近。

諧波響應(yīng)分析的結(jié)果結(jié)合模態(tài)分析， 說明基于聲振耦合諧振條件的lock-in 效應(yīng)同步并放大了渦旋脫落。對應(yīng)的聲振模態(tài)形態(tài)傳播并放大了渦輪機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)組件和靜態(tài)組件內(nèi)部的壓力脈動(dòng)。這種壓力脈動(dòng)引發(fā)了導(dǎo)流葉片在自然頻率下發(fā)生共振。通過修正后緣形狀，最大程度地減少轉(zhuǎn)輪葉片上的渦旋脫落并進(jìn)行干擾，顯著減少導(dǎo)流葉片振動(dòng)，從而解決了這個(gè)問題。

使用單物理仿真或許無法確定和解決該振動(dòng)問題。它要求理解所涉及的全部物理場域，并將它們正確地運(yùn)用到眼前的問題中。

本文來源于《ANSYS ADVANTAGE》