CN104636550A - 一种冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法。利用有限元分析软件建立水斗计算模型,施加边界条件和载荷。分步多次调节水斗分水刃根部的曲率均匀度、深度和厚度，计算并提取各个方案的分水刃根部应力计算结果，确定应力水平最低的结构为水斗分水刃根部结构最优方案。该方法的优点是：针对水斗分水刃根部应力水平的主要影响因素，分步骤逐一对曲率均匀度、深度和厚度进行结构优化，通过对比应力水平计算结果确定最优结构方案，该优化方法能够有效的降低水斗高应力区的应力水平，显著提高水斗强度安全系数和疲劳寿命，对保证机组安全稳定运行具有重要意义。

Description

一种冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法

技术领域：

本发明涉及冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法。

背景技术：

水斗是冲击式水轮机的核心部件之一，水斗结构复杂且曲面变化剧烈，在机组运行过程中承受巨大的脉冲载荷，极易发生裂纹甚至断斗事故，必须对水斗高应力区域进行优化设计，严格控制水斗高应力区域的动应力和静应力水平。

目前，在冲击式水轮机转轮水斗结构设计中，没有针对水斗高应力区域进行优化设计，分水刃根部只是简单的采用圆柱面与水斗根部曲面进行过渡连接，利用该方法只能保证水斗分水刃根部各个曲面之间圆滑过渡，不能保证应力较低且均匀分布。

这种结构设计方法的缺点是：水斗高应力区域结构设计简单，没有考虑过渡曲面局部刚度对应力分布的影响，对于降低水斗高应力区域应力水平效果很不明显，随着冲击式水轮机单机容量和设计水头的日益增加，转轮水斗的设计难度也逐渐增大，这种结构设计方法已经不能满足当前水斗精细设计的需求。

发明内容：

本发明提供了一种冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法。利用有限元分析软件建立水斗计算模型,施加边界条件和载荷。分步多次调节水斗分水刃根部的曲率均匀度、深度和厚度，计算并提取各个方案的分水刃根部应力计算结果，确定应力水平最低的结构为水斗分水刃根部结构最优方案。该方法的优点是：针对水斗分水刃根部应力水平的主要影响因素，分步骤逐一对曲率均匀度、深度和厚度进行结构优化，通过对比应力水平计算结果确定最优结构方案，该优化方法能够有效的降低水斗高应力区的应力水平，显著提高水斗强度安全系数和疲劳寿命，对保证机组安全稳定运行具有重要意义。本技术方案如下：

1)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗有限元分析模型，在水斗分水刃的根部建立小块的独立模型，水斗金属材料的弹性模量为2.068e5MPa,泊松比0.3；

2)在转轮连接螺栓分布圆施加固定约束，在转轮转动中心施加转速载荷，在水斗表面施加简化的射流力载荷；

3)利用商业有限元分析软件进行求解，并提取水斗分水刃根部应力水平；

4)多次调节水斗分水刃根部的曲率均匀度，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部应力计算结果，从中选择最优结构方案；

5)多次调节水斗分水刃根部的深度，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部应力计算结果，从中选择最优结构方案；

6)多次调节水斗分水刃根部的厚度，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部应力计算结果，从中选择最优结构方案，上述步骤即为冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法。

技术效果：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在现有的冲击式水轮机水斗结构设计中，水斗高应力区域结构设计简单，没有考虑过渡曲面局部刚度对应力分布的影响，对于降低水斗高应力区域应力水平效果很不明显，随着冲击式水轮机单机容量和设计水头的日益增加，转轮水斗的设计难度也逐渐增大，这种结构设计方法已经不能满足当前水斗精细设计的需求。

本发明提供了一种冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法。利用有限元分析软件建立水斗计算模型,施加边界条件和载荷。分步多次调节水斗分水刃根部的曲率均匀度、深度和厚度，计算并提取各个方案的分水刃根部应力计算结果，确定应力水平最低的结构为水斗分水刃根部结构最优方案。该方法的优点是：针对水斗分水刃根部应力水平的主要影响因素，分步骤逐一对曲率均匀度、深度和厚度进行结构优化，通过对比应力水平计算结果确定最优结构方案，该优化方法能够有效的降低水斗高应力区的应力水平，显著提高水斗强度安全系数和疲劳寿命，对保证机组安全稳定运行具有重要意义。

附图说明：

图1为冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法流程图；

图2为冲击式水轮机转轮轴向视图；

图3为冲击式水轮机转轮水斗主视图；

图4为冲击式水轮机水斗分水刃根部局部视图。

具体实施方式：

如图1所示，冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法，操作步骤如下：

1)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗有限元分析模型，在水斗分水刃的根部建立小块的独立模型，水斗金属材料的弹性模量为2.068e5MPa,泊松比0.3；

2)在转轮连接螺栓分布圆施加固定约束，在转轮转动中心施加转速载荷，在水斗表面施加简化的射流力载荷；

3)利用商业有限元分析软件进行求解，并提取水斗分水刃根部应力水平；

4)多次调节水斗分水刃根部的曲率均匀度，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部应力计算结果，从中选择最优结构方案；

5)多次调节水斗分水刃根部的深度，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部应力计算结果，从中选择最优结构方案；

6)多次调节水斗分水刃根部的厚度，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部应力计算结果，从中选择最优结构方案，上述步骤即为冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法。

如图2所示，冲击式水轮机转轮轴向视图，在转轮连接螺栓分布圆施加固定约束，在转轮转动中心施加转速载荷，在水斗表面施加简化的射流力载荷,图中可见水斗分水刃和分水刃根部示意。

如图3所示，冲击式水轮机转轮水斗主视图，图中可见水斗分水刃和分水刃根部厚度示意。

如图4所示，冲击式水轮机水斗分水刃根部局部视图，图中可见水斗分水刃以及分水刃根部曲率均匀度和深度示意。

Claims (1)

1.一种冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法，其特征是：

该操作步骤如下：

1)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗有限元分析模型，在水斗分水刃(5)的根部建立小块的独立模型，水斗金属材料的弹性模量为2.068e5MPa,泊松比0.3；

2)在转轮连接螺栓分布圆(1)施加固定约束，在转轮转动中心(2)施加转速载荷，在水斗(3)表面施加简化的射流力载荷；

3)利用商业有限元分析软件进行求解，并提取水斗分水刃根部(4)应力水平；

4)多次调节水斗分水刃根部(4)的曲率均匀度(7)，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部(4)应力计算结果，从中选择最优结构方案；

5)多次调节水斗分水刃根部(4)的深度(8)，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部(4)应力计算结果，从中选择最优结构方案；

6)多次调节水斗分水刃根部(4)的厚度(6)，重复步骤3)，对比各个结构优化方案的分水刃根部(4)应力计算结果，从中选择最优结构方案，上述步骤即为冲击式水轮机水斗分水刃根部结构优化方法。