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近年來，國內外一系列水力機組頻繁發生振動和轉輪葉片裂紋問題，嚴重影響了機組的安全穩定運行和經濟效益。隨著流固耦合技術的飛速發展，很多學者對水力機械進行了基于流固耦合的應力特性研究。肖若富等對混流式水輪機全流道流場進行了CFD計算，采用順序流固耦合方法得到了轉輪最大靜應力與水輪機功率的線性關系。張新口等運用單向流固耦合的方法對軸流泵葉輪強度進行有限元分析。利用單向流固耦合方法計算旋轉機械應力和變形的有效性和準確性已獲得了工程界的認可，本文借助計算流體動力學軟件CFX和ansys workbench平臺，對我國東北某大型混流式水輪機全流道設計水頭下不同工況進行了CFD計算。基于單向流固耦合方法計算得到不同工況下轉輪最大靜應力和變形量，從而實現對水輪機轉輪強度的校核與預測，可對混流式水輪機結構設計優化和裂紋原因分析提供參考。
本文以我國東北某大型混流式水輪機為研究對象，建立了從蝸殼進口至尾水管出口的全流道計算模型。流體和實體部分均采用UG建模。流體機械內部水流運動可以采用連續性方程和雷諾時均N-S方程聯立來描述，連續性方程：質量力；P為壓強拼為湍動粘度。一般認為水流是不可壓縮流體，不考慮能量守恒方程。通過雷諾時均N-S方程描述湍流運動時，需要引人湍流模型來封閉方程組，本文采用能夠準確模擬近壁面區域。模型進行計算域流動特性的模擬。采用有限體積法對控制方程組進行離散，擴散項和壓力梯度采用有限元函數表示，對流項采用高階求解格式。采用全隱式多重網格耦合方法對流場進行求解，將動量方程和連續性方程耦合求解，流體域包括蝸殼段、座環段、轉輪段和尾水管段，結構域只考慮轉輪。
混流式水輪機全流道過流部件多，幾何形狀復雜，運用ICEM對流體區域進行幾何適應性強的四面體非結構化網格劃分，分別對蝸殼、座環、轉輪、尾水管進行了網格劃分及局部加密，部分流體計算區域網格如圖所示，整個水輪機流體計算域網格單元總數為319.6萬，蝸殼、座環、轉輪、尾水管網格單元數分別為30.6萬，97.8萬，167.4萬，23.8萬。在CFX軟件平臺上完成數值模擬工作，邊界條件為：流場進口處設置給定總壓邊界條件，出口處設置白由出流邊界條件，固壁上采用絕熱、無滑移邊界條件，轉輪流體域與轉輪實體相接部分定義為流固耦合邊界，采用Frozen rotor處理轉輪與座環、尾水管之間旋轉坐標系與靜止坐標系流動參數的轉換。計算得到三種工況下葉片表面水壓力的分布作為轉輪強度有限元計算的流固耦合表面荷載邊界條件。以設計工況為例，葉片表面靜壓分布。
轉輪的材料為ZG20SiMn，密度為7860kg/m3，楊氏模量為211GPa，泊松比0.29，屈服強度295MPa。轉輪尺寸的單元網格設為80mm，采用白由劃分的方法對轉輪劃分網格，由于應力集中常發生在葉片根部區域，為了保證計算精度，對這一敏感區域進行了網格加密。網格劃分共產生1743812個單元和2550548個節點，如下頁圖所示。模型邊界條件包括結構載荷和約束，兩種結構載荷有：①慣性載荷，包括重力加速度和轉輪轉速；②表面載荷，即由前文流場計算獲得的作用在所有流固耦合面上的水壓力。為了防止產生剛體位移，轉輪約束條件設置為在轉輪與主軸把合螺栓處，約束相應節點的白由度。整個轉輪荷載和約束的設置如下頁圖所示。對轉輪在3個工況點下進行有限元求解，得到各個工況下轉輪的靜應力及位移分布云圖。
由于各工況下轉輪的靜應力及總變形分布規律相似，只是數值上有所區別，因此只給出轉輪在設計工況下的靜應力和變形分布。設計工況下轉輪靜應力分布如圖所示。水流流態順暢，葉片壓力面與吸力面壓差較大，葉片表面靜壓梯度明顯，應力分布趨于均勻，此時應力集中與應力最大值出現在葉片出水邊靠近上冠處。這是因為約束條件設置為在轉輪與主軸把合螺栓處，在加載了葉片表面水壓力載荷的情況下，葉片靠近固定約束處的彎矩和剪力較大，無法通過彎曲和變形釋放應力，同時葉片出水邊厚度較薄，剛度和強度不足，所以造成了此處的應力集中與應力最大值，并易產生疲勞破壞。
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