CN103530475A - 基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法，利用该方法对水轮机活动导叶尾部修型，可以有效地减小活动导叶立面间隙，解决机组停机时漏水量大的问题。本发明使用接触单元模拟水轮机活动导叶静水关闭工况的变形情况，根据活动导叶几何结构和布置位置推导了导叶头部和尾部密封线之间的间隙计算方法。根据获得的立面间隙分布曲线，对活动导叶尾部密封部位进行不均匀修型，以保证修型量与间隙量相互抵消，使修型后导叶立面间隙达到最小。本发明可以有效减小导叶关闭时的漏水量，节约大量水资源，给电厂带来巨大经济效益；同时也避免了生产厂家一味追求减小导叶变形量造成的材料成本增加。

Description

基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法

技术领域：

本发明涉及一种基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法。 

背景技术：

水轮机在静水关闭工况下，活动导叶的变形量较大，进而造成漏水量增加。尤其是轴流式水轮机，由于其结构的特殊性使其活动导叶高度较高，变形量也随之增加，导致漏水量过大的问题更加明显。通常采取的措施是增粗导叶枢轴直径、加宽空心活动导叶翼型、甚至是采用实心导叶等。而对漏水量的减小效果并不非常理想，同时导叶重量的增加必将引起材料成本的升高，这对导叶生产厂家和电厂都是极其不利的。现有的活动导叶立面间隙修型方法，通常是沿着密封线从下至上去除0～0.5mm厚的材料，尽管可以在一定程度上减小漏水量，但修型方案很盲目，没有针对性，无法满足导叶立面间隙优化设计。 

发明内容：

本发明提供了一种基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法，可利用此方法分析水轮机活动导叶立面间隙大小，根据间隙大小对 导叶尾部密封部位修型，保证修型量与间隙量相互抵消，使修型后间隙最小化。本技术方案的技术方案为： 

1)运用商业软件建立包含两个完整水轮机活动导叶的三维模型，采用二十节点六面体单元SOLID95划分网格，定义导叶材料弹性模量2.068e5MPa，泊松比0.3； 

2)在活动导叶头部和尾部密封处建立接触单元，单元类型为CONTA174和TARGE170； 

3)在两个活动导叶头部对应位置施加自由度耦合约束，在两个导叶尾部对应位置同样施加自由度耦合约束； 

4)根据控制环、接力器、导叶连杆以及导叶臂等结构参数，计算出作用在导叶上端部的扭转力矩，通过建立刚性面将该力矩施加于有限元模型上，导叶关闭力矩计算公式如下： 

$M=\frac{L_2\·\sin \mathrm{\γ}}{\cos \mathrm{\β}}\·\frac{R_2}{n\·R_1}\·\mathrm{\π}\·p\·(2r^2-{r_0}^2)$

式中M为导叶关闭力矩 

L₂为导叶臂长度 

γ为导叶臂与导叶连杆夹角 

β为导叶全关时，导叶连杆方向 

R₁为控制环连杆销分布圆半径 

R₂为控制环大耳环分布圆半径 

p为接力器最大油压 

r为接力器活塞半径 

r₀为接力器活塞杆半径 

n为导叶数 

5)在枢轴处施加径向约束，在导叶下端部施加轴向约束，在导叶瓣体表面施加水压力载荷； 

6)利用商业有限元软件进行求解，根据活动导叶几何结构和布置位置推导导叶头部和尾部密封线之间的间隙，根据有限元结果计算出导叶立面间隙分布曲线； 

7)根据计算所得间隙分布曲线，对活动导叶尾部密封部位进行不均匀修型，上述步骤即为基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法。 

本发明利用商业有限元软件建立导叶立面间隙的分析模型，具有简单易行的特点。本方法在模型上施加的水压力根据机组上、下游水位和机组中心高程计算得到，导叶上端部施加的扭转力矩根据控制环、接力器、导叶连杆和导叶臂等结构参数计算得到。本发明利用有限元方法分析导叶关闭状态下的立面间隙，根据该间隙大小和分布规律，有针对性的对导叶尾部密封位置进行不均匀的修型，使修型后的导叶立面间隙尽量达到最小。本发明可以减小水轮机停机时的导叶漏水量，提高水轮机性能，节约水资 源；避免为减小漏水量盲目增加结构尺寸，节约材料成本。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是： 

对于水轮机在静水关闭工况下，活动导叶的变形量较大，进而造成漏水量较大的问题，现有减小活动导叶变形量的技术是采取增粗导叶枢轴直径、加宽空心活动导叶翼型、甚至是采用实心导叶等方法，然而对漏水量的减小效果并不非常理想，且增加了材料成本。受到机组结构尺寸、水力效率和材料成本的限制，有时候以上方案很难实施。现有的活动导叶立面间隙修型方法，通常是沿着密封线自下而上去除0～0.5mm厚的材料，尽管可以在一定程度上减小漏水量，但修型方案很盲目，没有针对性，且实际的导叶立面间隙并不是自下而上均匀变化的，因此现有技术方法无法满足导叶立面间隙优化设计。本发明对水轮机活动导叶静水关闭工况下的变形量进行有限元分析，通过导叶立面间隙量的推导，计算出活动导叶立面间隙的分布情况。根据所得立面间隙分布，有针对性的对活动导叶尾部进行不均匀修型，使导叶立面间隙趋于最优。本发明在提高产品质量、节约材料成本和节约水资源等方面具有重要意义。 

附图说明：

图1为基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法流程图 

图2为水轮机活动导叶结构示意图 

图3为水轮机活动导叶静水关闭示意图 

图4为水轮机活动导叶传动机构示意图 

具体实施方式：

如图1、图2所示，一种基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法，操作步骤如下： 

1)运用商业软件建立包含两个完整水轮机活动导叶的三维模型，采用二十节点六面体单元SOLID95划分网格，定义导叶材料弹性模量为：2.068e5MPa，泊松比0.3； 

2)在活动导叶头部4和导叶尾部7导叶密封接触区8建立接触单元，单元类型为CONTA174和TARGE170； 

3)在两个活动导叶头部4对应位置施加自由度耦合约束，在两个导叶尾部7对应位置同样施加自由度耦合约束； 

4)计算作用在导叶上端部1的扭转力矩，通过建立刚性面将该力矩施加于有限元模型上，导叶关闭力矩计算公式如下： 

$M=\frac{L_2\·\sin \mathrm{\γ}}{\cos \mathrm{\β}}\·\frac{R_2}{n\·R_1}\·\mathrm{\π}\·p\·(2r^2-{r_0}^2)$

式中M为导叶关闭力矩 

L₂为导叶臂长度 

γ为导叶臂与导叶连杆夹角 

β为导叶全关时，导叶连杆方向 

R₁为控制环连杆销分布圆半径 

R₂为控制环大耳环分布圆半径 

p为接力器最大油压 

r为接力器活塞半径 

r₀为接力器活塞杆半径 

n为导叶数 

5)在导叶上枢轴2、导叶中枢轴3和导叶下枢轴5处施加径向约束，在导叶下端部6施加轴向约束，在导叶瓣体表面施加水压力载荷； 

6)利用商业有限元软件进行求解，根据活动导叶几何结构和布置位置推导导叶头部4和导叶尾部7密封线之间的间隙9，根据有限元结果计算出导叶立面间隙分布曲线； 

7)根据计算所得间隙分布曲线，对活动导叶尾部7密封部位进行不均匀修型，上述步骤即为基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法。 

如图3所示，机组停机时相邻导叶的头部与尾部接触，实现密封效果，在水压力作用下产生微小的立面间隙9。 

如图4所示，接力器操作力通过控制环传递给活动导叶连杆L1，再推动导叶臂L2，使活动导叶承受力矩。 

Claims (1)

1.一种基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法，

其特征是：该操作步骤如下：

1)运用商业软件建立包含两个完整水轮机活动导叶的三维模型，采用二十节点六面体单元SOLID95划分网格，定义导叶材料弹性模量为：2.068e5MPa，泊松比0.3；

2)在活动导叶头部（4）和导叶尾部（7）导叶密封接触区（8）建立接触单元，单元类型为CONTA174和TARGE170；

3)在两个活动导叶头部（4）对应位置施加自由度耦合约束，在两个导叶尾部（7）对应位置同样施加自由度耦合约束；

4)计算作用在导叶上端部（1）的扭转力矩，通过建立刚性面将该力矩施加于有限元模型上，导叶关闭力矩计算公式如下：

$M=\frac{L_2\·\sin \mathrm{\γ}}{\cos \mathrm{\β}}\·\frac{R_2}{n\·R_1}\·\mathrm{\π}\·p\·(2r^2-{r_0}^2)$

式中M为导叶关闭力矩

L₂为导叶臂长度

γ为导叶臂与导叶连杆夹角

β为导叶全关时，导叶连杆方向

R₁为控制环连杆销分布圆半径

R₂为控制环大耳环分布圆半径

p为接力器最大油压

r为接力器活塞半径

r₀为接力器活塞杆半径

n为导叶数

5)在导叶上枢轴（2）、导叶中枢轴（3）和导叶下枢轴（5）处施加径向约束，在导叶下端部（6）施加轴向约束，在导叶瓣体表面施加水压力载荷；

6)利用商业有限元软件进行求解，根据活动导叶几何结构和布置位置推导导叶头部（4）和导叶尾部（7）密封线之间的间隙（9），根据有限元结果计算出导叶立面间隙分布曲线；

7)根据计算所得间隙分布曲线，对活动导叶尾部（7）密封部位进行不均匀修型，上述步骤即为基于有限元分析的水轮机活动导叶立面间隙优化新方法。

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