转轮疲劳裂纹破坏是高水头水泵水轮机运行中备受关注的问题,而运行中产生动应力是导致转轮疲劳裂纹的重要原因。因高水头水泵水轮机的运行水头变幅大、转速高、工况间转换频繁,流体结构耦合产生的动应力非常复杂,活动导叶与转轮之间动静干涉引起的压力脉动,通过流体结构耦合产生的转轮叶片动应力是造成转轮疲劳裂纹的主要原因之一。目前针对转轮动应力的研究手段主要是模型试验,无法在转轮设计阶段预先发现转轮疲劳裂纹,如何在转轮设计阶段根据机组的运行特性有效地预测不同工况下叶片的动应力变化,提高转轮设计的可靠性,以及在运行过程中合理控制运行区域避免较大的水压力脉动引起转轮叶片过大的动应力,提高机组运行的运行稳定性是高水头水泵水轮机转轮研发设计亟待解决的关键技术问题之一。本课题结合国家自然科学基金(51379179),以650m水头段某高水头混流式水泵水轮机模型为研究对象,探索基于流固耦合数值模拟预测高水头水泵水轮机转轮叶片动应力特性的方法,为在高水头水泵水轮机研发过程中考虑到转轮动应力设计和运行过程中发现的转轮疲劳裂纹破坏原因分析提供技术支撑。主要研究内容及结论如下:(1)研究水泵水轮机动静干涉引起的压力脉动特性预测方法,采用三维非定常数值模拟分析转轮叶片与活动导叶流道的压力脉动特性。结果表明,转轮与活动导叶间的无叶区动静干涉引起的压力脉动波动最剧烈,压力脉动幅值远大于转轮和活动导叶内的脉动幅值,压力脉动主频为转轮叶片通过的频率。转轮叶片由于受到活动导叶的激励,压力脉动频率成分中以活动导叶通过的频率为主,活动导叶内由于受到转轮的激励,压力脉动频率主要以转轮叶片通过频率为主。(2)研究水泵水轮机动静干涉引起的转轮叶片动应力特性预测方法,采用单向瞬态流固耦合方法计算分析转轮动应力分布规律以及危险部位的动应力特性。结果表明,转轮动应力始终集中于叶片高压边与上冠、下环连接处。从叶片高压边到低压边,动应力先减小,之后变化比较平稳。转轮叶片危险部位处动应力呈现周期性变化规律,一个旋转周期内动应力的周期性变化次数与活动导叶数目相等。活动导叶通过频率是转轮动应力主要频率成分,表明转轮与活动导叶间动静干涉引起的波动是造成转轮动应力变化的主要原因之一。(3)对转轮进行结构动力学的模态计算分析,判断转轮结构的振动特性与动静干涉引起的转轮振动特性是否会发生水力共振。结果表明,由动静干涉引起的水力激振频率均远离转轮固有频率,不会发生水力共振,转轮低阶模态下的振型以摆动为主。本文探索出的基于流固耦合数值模拟方法的高水头水泵水轮机动静干涉引起的转轮动应力预测方法,能够较为真实地反映由动静干涉产生的压力脉动引起的转轮动应力特征,可用于在设计过程初步预测高水头水泵水轮机转轮动应力特性,指导优化转轮结构力学特性设计,具有一定的工程应用价值。