混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)優(yōu)化

1、!" ! ! "混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)優(yōu)化4997-6! "水輪機(jī)部分! "! ! ! ! ! ! ! ":摘混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)優(yōu)化鐘蘇. ，王德俊. ，呂桂萍4/.-東北大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)院，遼寧沈陽.999. ；黑龍江哈爾濱.69979）4-哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，要; 分析了葉片數(shù)、葉片局部加厚、上冠下環(huán)厚度等因素對(duì)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度性能的影響。總結(jié)出通過改變上冠、下環(huán)和葉片的局部厚度及補(bǔ)強(qiáng)三角塊來施行優(yōu)化設(shè)計(jì)的策略，并給出了采用該策略進(jìn)行轉(zhuǎn)輪優(yōu)化的實(shí)例。:關(guān)鍵詞; 混流式水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度；優(yōu)化設(shè)計(jì):中圖分類號(hào); %<5!9

2、-4:文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼; &:文章編號(hào); .999=!>8!/4997096=99!" =97#$%&&(%&*+,-.&/+*012+-34+%-+.&%50*3%6-73+8&.923:&+-?+ABC. #,&ABDE=FCG. #*HBCI=JIGK4（.-LMNNONP 1ELM3GIL3O QGKIGEERIGK 3GS &CTN$3TINGNP ANRTME3UTERG HGIVERUITW#MEGW3GK.999. (MIG3；4-3RXIGQOELTRIL 13LMIGERW (N$J3

3、GW*I$ITES#3RXIG.69979#(MIG3）;:.%38%<%MEP3LTNRU NP EPPELTIGK RCGGER IGTEGUITW JERPNR$3GLEUCLM 3U TME XO3SEU GC$XER#ONL3O TMILYGEUU NP LRNZG 3GS X3GS 3RE 3G3OWES-%MENJTI$I3TINGSEUIKG $ETMNSXW V3RWIGK TME ONL3O TMILYGEUU NP RCGGER /LRNZG #X3GS #XO3SE 03GS 3JJOWIGK UTREUU REOIEP TRI3GKOE NP XO3SE 3RE

4、 JREUEGTES-=-5>*3?.<R3GLIU TCRXIGERCGGER IGTEGUITWNJTI$I3TINGSEUIKG 在水電機(jī)組中，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪不僅要有好的水力性能（能量、空化、水力穩(wěn)定性）#還必須具有好的強(qiáng)度性能。近年來在國(guó)內(nèi)投運(yùn)的直徑超過" $以上的大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪都不同程度地出現(xiàn)了葉片裂紋，這進(jìn)一步說明轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度仍然沒有得到很好解決，因此優(yōu)化轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)以保障水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度也是一個(gè)緊迫的課題?；炝魇睫D(zhuǎn)輪是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，葉片為空間曲面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)由水力性能給出的葉片形狀是不能隨便變動(dòng)的。目前的計(jì)算技術(shù)還不能分析出轉(zhuǎn)輪的動(dòng)應(yīng)力#動(dòng)應(yīng)力幅值主要還是通過

5、控制轉(zhuǎn)輪工作時(shí)的靜應(yīng)力水平來限制#因此對(duì)轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)只能從上冠、下環(huán)和葉片的局部改變來施行，這就決定了轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)是帶有專家智能性的經(jīng)驗(yàn)型優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文將在這方面進(jìn)行探索性研究。別以轉(zhuǎn)速和重力加速度的形式給出，由有限元軟件自動(dòng)施加到結(jié)構(gòu)上。通常情況下，利用編制的專用有限元建模程序自動(dòng)完成單元的剖分、邊界條件和水力載荷的施加。! -! 轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力和變形分布以某電站轉(zhuǎn)輪為例，表. 為分析計(jì)算結(jié)果。圖. 為正常工況下轉(zhuǎn)輪應(yīng)力、變形分布圖。從中可以看出，轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力分布具有明顯的應(yīng)力分布不均特點(diǎn)，最大應(yīng)力通常都出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠或者下環(huán)相交處，而這些部位正是轉(zhuǎn)輪容易產(chǎn)生裂紋的區(qū)域，是

6、轉(zhuǎn)輪疲勞強(qiáng)度最薄弱的環(huán)節(jié)。因此轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度優(yōu)化的任務(wù)就是要想辦法降低它的局部高應(yīng)力。表! 轉(zhuǎn)輪分析計(jì)算結(jié)果最大位移/$0正常工況最大出力工況飛逸工況4-54-567-8最大應(yīng)力/1230.44.5479最大應(yīng)力位置葉片出水邊與上冠相交處葉片出水邊與上冠相交處葉片進(jìn)水邊與下環(huán)連接處! 轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度分析混流式轉(zhuǎn)輪由上冠、葉片和下環(huán)構(gòu)成。轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí)主要承受水壓力、離心力以及轉(zhuǎn)輪自身的重量。水壓力載荷由水力設(shè)計(jì)部門根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片的翼型，運(yùn)用%&(*+,軟件計(jì)算給出，離心力和重力在分析時(shí)分! -" 轉(zhuǎn)輪的子結(jié)構(gòu)法應(yīng)力分析轉(zhuǎn)輪的最初有限元計(jì)算是沒有考慮過渡圓角的#為了獲得最大應(yīng)力區(qū)域的更加精確

7、的計(jì)算結(jié)果（出水#$%&(大電機(jī)技術(shù)!"降低了"。最大應(yīng)力降低的比例比葉片數(shù)增加的比例要大。葉片數(shù)增加，可以普遍而且顯著地降低葉片的應(yīng)力。這是提高轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度性能的一個(gè)有效途徑，但增加葉片數(shù)轉(zhuǎn)輪的制造成本也會(huì)相應(yīng)增大，應(yīng)權(quán)衡考慮。! &! 葉片型式對(duì)應(yīng)力的影響分析表明，對(duì)于常規(guī)翼型的轉(zhuǎn)輪葉片，最大應(yīng)力往往發(fā)生在葉片出水邊與上冠的連接處，而對(duì)于葉片進(jìn)口為負(fù)傾斜角的葉片（通常稱為*型葉片），最大應(yīng)力往往發(fā)生在葉片與下環(huán)連接處靠出水邊側(cè)，如圖! 所示。兩種翼型的應(yīng)力分布是不一樣的。選取葉型時(shí)還應(yīng)綜合考察水力穩(wěn)定性再做決定。圖 正常工況下轉(zhuǎn)輪應(yīng)力分布圖邊尾部），需要采用

8、子模型方法。在子模型分析中，考慮轉(zhuǎn)輪局部區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸（過渡圓角等），將子模型的有限元網(wǎng)格尺寸劃分得比較細(xì)膩。這種計(jì)算方法被稱為“切開邊界位移方法”。也就是說，在轉(zhuǎn)輪葉片與上冠連接處，建立一個(gè)獨(dú)立的、有限元網(wǎng)格非常小的子模型。子模型的切開邊界的位移，通過轉(zhuǎn)輪有限元分析計(jì)算得出，切開邊界節(jié)點(diǎn)的位移值通過單元位移函數(shù)插值獲得。轉(zhuǎn)輪的局部應(yīng)力分析是在轉(zhuǎn)輪有限元分析基礎(chǔ)上完成的+局部應(yīng)力的研究區(qū)域是在轉(zhuǎn)輪葉片與上冠相交出水邊處。如圖#所示。圖! 常規(guī)葉片、*型葉片最大應(yīng)力點(diǎn)位置下環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力的影響! &#上冠、以上述電站轉(zhuǎn)輪為例，方案 為原設(shè)計(jì)方案；方案在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將上冠減薄；方案! 在

9、原#設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將上冠與法蘭連接位置沿出水邊移動(dòng)；方案%在方案! 的基礎(chǔ)上，將法蘭連接部位減薄，如圖%所示。表#給出了改變上冠結(jié)構(gòu)的相應(yīng)尺寸，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力的影響。表! 上冠變化各個(gè)方案計(jì)算結(jié)果圖#轉(zhuǎn)輪的子結(jié)構(gòu)模型分析法方案#! %最大位移2334!&(#&5" #&5! !&6(最大應(yīng)力2,-. 4#$5!6最大應(yīng)力位置葉片出水邊與上冠連接處葉片出水邊與上冠連接處葉片出水邊與上冠連接處葉片出水邊與上冠連接處計(jì)算得出該區(qū)域的最大應(yīng)力為"!,-.+應(yīng)力集中系數(shù)為! /&%#。通過這樣的子模型分析，還可以得到不同過渡圓角半徑下的應(yīng)力集中

10、系數(shù)，從而得到合理的過渡圓角，提高疲勞性能。! 轉(zhuǎn)輪局部應(yīng)力的影響因素分析! &" 葉片數(shù)對(duì)應(yīng)力的影響對(duì)于額定出力一定的轉(zhuǎn)輪，增加葉片數(shù)每個(gè)葉片上所承擔(dān)的載荷就相應(yīng)減少，應(yīng)力降低的原因是明顯的。計(jì)算結(jié)果表明，增加一個(gè)葉片，葉片出水邊靠上冠處的應(yīng)力降低了&01，葉片出水邊靠下環(huán)處的應(yīng)力從表#中不難看出：轉(zhuǎn)輪上冠的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的靜應(yīng)力水平影響較大。通過減薄葉片出水邊處上冠的厚度+或者將上冠與法蘭連接位置沿出水邊移動(dòng)，可以降低葉片與上冠相交出水邊的應(yīng)力，如方案#和方案! 。但是將法蘭連接部位減薄，則應(yīng)力反而增大。對(duì)于常規(guī)葉片，葉片的最高應(yīng)力經(jīng)常發(fā)生在葉片 出水邊與上冠

11、連接處。因此，下環(huán)的結(jié)構(gòu)形式對(duì)葉片"/混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)優(yōu)化-*,.=0楚補(bǔ)強(qiáng)三角塊對(duì)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力的影響，有必要對(duì)轉(zhuǎn)輪施加補(bǔ)強(qiáng)三角塊進(jìn)行分析。以某電站轉(zhuǎn)輪為例，表, 和表0給出了施加補(bǔ)強(qiáng)三角塊的分析計(jì)算結(jié)果。表$葉片與上冠連接處施加三角塊計(jì)算結(jié)果最大位移最大應(yīng)力三角塊尺寸#$%#&(%#$%施加三角塊之前電站6（常規(guī)葉片）施加三角塊之后施加三角塊之前電站7（! 型葉片）施加三角塊之后-. +-. ,2+.- /.1"2"01/2022-*! 8,*" 8"*! 8,*" 820*圖, 上冠、下環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案 表*葉片與下環(huán)

12、連接處施加三角塊計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力影響較小。但對(duì)于! 型葉片而言，由于高應(yīng)力區(qū)域通常發(fā)生在葉片出水邊與下環(huán)相交處，或葉片進(jìn)水邊與下環(huán)相交處，因此，下環(huán)的幾何形狀對(duì)葉片的應(yīng)力水平有一定的影響。以某電站! 型葉片轉(zhuǎn)輪為例，通過改變下環(huán)的厚度來分析葉片的應(yīng)力水平。表" 給出了! 型葉片下環(huán)結(jié)構(gòu)變化對(duì)葉片應(yīng)力影響。表! 下環(huán)結(jié)構(gòu)變化計(jì)算結(jié)果下環(huán)厚度#$%*+*,*"*最大位移#$%-. *-. */-. -0-. "/最大應(yīng)力位置葉片出水邊與下環(huán)連接處葉片出水邊與下環(huán)連接處葉片進(jìn)水邊與下環(huán)連接處葉片出水邊與下環(huán)連接處! 型葉片施加三角塊之前施加三角塊之后最大位移#$%0. &

13、quot; ,. +最大應(yīng)力#&(%2*0+/.,三角塊尺寸#$%! 8,*" 8"*從表, 可以看出：在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與上冠相交處施加補(bǔ)強(qiáng)三角塊，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力水平具有顯著的影響。從強(qiáng)度角度上講，施加補(bǔ)強(qiáng)三角塊較大，應(yīng)力水平下降也大，但是，過大的補(bǔ)強(qiáng)三角塊會(huì)影響轉(zhuǎn)輪的水力性能，因此，在不影響水力性能的條件下，在葉片出水邊與上冠連接處施加補(bǔ)強(qiáng)三角塊，對(duì)提高轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度是大有益處的。對(duì)于! 型葉片而言，最大應(yīng)力往往發(fā)生在葉片出水邊與下環(huán)連接處。從表0中可以看出9對(duì)于! 葉片而言，在葉片出水邊與下環(huán)連接處施加補(bǔ)強(qiáng)三角塊，也可以使轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力水平大幅度地下降。" .

14、 *葉片局部加厚對(duì)應(yīng)力的影響葉片高應(yīng)力部位:出水邊靠上冠處局部加厚，可以降低該處的應(yīng)力。以上面所列的電站轉(zhuǎn)輪為例，如將出水邊靠上冠處葉片局部厚度由2-$加厚至且均勻變化，那么最高應(yīng)力將由2-&(降低到-/$，2*,&(;應(yīng)力降幅為2,. /<。由于葉片出水邊靠上冠處的應(yīng)力主要是由水壓力引起的彎曲應(yīng)力為主，因此葉片局部加厚對(duì)最大應(yīng)力的影響是顯而易見的。從表" 中可知：下環(huán)厚度減薄可以使! 型葉片的最大應(yīng)力有所變化，但總體來說影響不大。當(dāng)下環(huán)厚度減薄到一定程度時(shí)，葉片的應(yīng)力反而會(huì)升高，同時(shí)由于下環(huán)處存在密封，過薄的下環(huán)也會(huì)使轉(zhuǎn)輪的最大位移增大。因此下環(huán)的厚度不能太薄

15、，取多少較為合適，還須根據(jù)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)特性來綜合考慮。總之，無論是常規(guī)葉片還是! 型葉片，改變上冠的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力有較大的影響，而改變下環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力的影響不大。減薄與葉片出水邊連接部位的上冠厚度，可以降低葉片出水邊靠上冠處的應(yīng)力，這是解決正常工況應(yīng)力高問題的一個(gè)途徑。在轉(zhuǎn)輪的自振頻率滿足要求的情況下，上冠靠近葉片出水邊處，上冠的最小厚度應(yīng)近似于葉片的最大厚度。將上冠、下環(huán)的結(jié)構(gòu)盡可能設(shè)計(jì)的合理，對(duì)于減輕轉(zhuǎn)輪重量降低設(shè)計(jì)成本具有重要意義。"#$補(bǔ)強(qiáng)三角塊%&( 對(duì)應(yīng)力的影響在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與上冠連接處采用三角塊補(bǔ)強(qiáng)#345%的方法，來防止轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生，

16、已在外國(guó)多個(gè)公司所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪運(yùn)行實(shí)踐中得到了應(yīng)用。為了搞清! 轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度性能優(yōu)化設(shè)計(jì)! . +轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度優(yōu)化步驟以上對(duì)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度的影響分析不難看到，對(duì)轉(zhuǎn)輪這樣一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，希望通過優(yōu)化程序來自動(dòng)完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化是不可能的，應(yīng)該采用帶有專家智能性的經(jīng)驗(yàn)型的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。即在優(yōu)化過程中根據(jù)#$%&(大電機(jī)技術(shù)!"表! 轉(zhuǎn)輪優(yōu)化方案性能結(jié)果比較所取得的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行人工干預(yù)，具體步驟如下：約束（1）確定優(yōu)化目標(biāo)為轉(zhuǎn)輪葉片的最大應(yīng)力，條件為轉(zhuǎn)輪的重量；（#）利用編制的專用有限元建模程序自動(dòng)完成單元的剖分、邊界條件和水力載荷的施加。實(shí)現(xiàn)有限元軟件與567軟件的自動(dòng)對(duì)接，水壓力載荷和翼型數(shù)

17、據(jù)由水力設(shè)計(jì)部門計(jì)算給出；（! ）完成轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力的初步分析，了解最大應(yīng)力和應(yīng)力分布特點(diǎn)；（%）利用優(yōu)化軟件自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)厚度的幾何優(yōu)化；（(）檢查分析結(jié)果，如滿足要求，優(yōu)化結(jié)束；否則葉片局部加厚或加補(bǔ)強(qiáng)三角塊（89:）；（3）葉片局部加厚或加補(bǔ)強(qiáng)三角塊，由水力設(shè)計(jì)部門重新分析水力性能，計(jì)算水壓力載荷和翼型數(shù)據(jù)；直至滿足應(yīng)力要求。（2）重復(fù)步驟#; (，" &#轉(zhuǎn)輪優(yōu)化實(shí)例水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的主要技術(shù)參數(shù)如下：最大水頭：額定轉(zhuǎn)速：額定水頭：飛逸轉(zhuǎn)速：最大出力：額定出力：轉(zhuǎn)輪直徑：葉片個(gè)數(shù)：! *+,<11! # <2(! <4(#<1($"

18、*+,<4#(" <21$<1$&%#%<1(-B 型0* =*>?* =*>?.A .A *優(yōu)化設(shè)計(jì)原設(shè)計(jì)方案應(yīng)力最大應(yīng)力-./+0次大應(yīng)力-./+0位移-*0最大應(yīng)力-./+0次大應(yīng)力-./+0位移-*0! " 1$(&$22&2(&%4#&(34&%&23! *+," *+,飛逸工況"$&32"&4(&12!&(!&4%&341"4&$13#&$1%&#1%1"#1%&!圖(兩種轉(zhuǎn)輪方案的應(yīng)力分布比較34&%./+0，這對(duì)于防止轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋有重要作用。同國(guó)內(nèi)已投入運(yùn)行的直徑大于3*的轉(zhuǎn)輪相比，該電站的轉(zhuǎn)輪具有優(yōu)異的強(qiáng)度性能。$結(jié)論對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪這樣的特殊部件的強(qiáng)度性能進(jìn)行了探索性研究，提出用帶有專家智能性的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。分析了轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力