貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉建模及應(yīng)力分析

摘 要：貫流式式水輪機(jī)不斷向著高水頭、大容量發(fā)展，對(duì)各個(gè)部件的強(qiáng)度要求也隨之提高。貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉在高水頭、大容量的情況下容易產(chǎn)生脫流，誘發(fā)汽蝕，造成水力振動(dòng)使導(dǎo)葉變型，從而影響機(jī)組的效率。 本文結(jié)合電站實(shí)例，對(duì)導(dǎo)葉受多種載荷及各工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，論證機(jī)組在各載荷及工況下運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)度及變形滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行要求，尤其是對(duì)導(dǎo)葉全關(guān)、頭部卡死，尾部卡死狀態(tài)下的應(yīng)力的分析。確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。并通過(guò)對(duì)主軸等的有限元研究分析，為以后該型水輪發(fā)電機(jī)組的整機(jī)及其它部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了一定的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：貫流式；導(dǎo)葉；三維建模；應(yīng)力分析

中圖法分類號(hào)：TV734.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2012）29-0037-02

轉(zhuǎn)輪前后流道為直線形或近于直線形，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)為圓錐式，采用直尾水管的水輪機(jī)稱為貫流式水輪機(jī)。貫流式水輪機(jī)具有水流方向基本不變、過(guò)流能力大、比轉(zhuǎn)速高、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、土建工程量小等特點(diǎn)，是開發(fā)低水頭水力資源的優(yōu)良機(jī)型。

近年來(lái)計(jì)算機(jī)及流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助軟件技術(shù)應(yīng)用到貫流式水輪機(jī)過(guò)流部件的三維模擬、流動(dòng)分析和強(qiáng)度分析等。采用CFD分析軟件，對(duì)于轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的三維紊流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并由此得出其內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)的分布情況及其水力效率和容積效率等起著重要作用。CATIA軟件用于貫流式水輪機(jī)錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉的干涉檢查、模擬仿及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，更好地解決了貫流式水輪發(fā)電機(jī)錐形導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)的空間密合問題、運(yùn)行強(qiáng)度問題。

1 貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)分析

燈泡貫流式機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主要功能是使水流在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前產(chǎn)生環(huán)量。并根據(jù)機(jī)組的功率的需要調(diào)節(jié)流量，水輪機(jī)停止運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉切斷水流。貫流式水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)為空間運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)葉瓣體呈錐形，各截面的尺寸相差較大，且兩端面為凸、凹球面的一部分，即瓣體凸球面的一端是軸，另一端則是凹球面；導(dǎo)葉共16個(gè)，程圓錐布置，其軸心線與中心線為65°，導(dǎo)葉是形成水流環(huán)量的重要部件，其水力效率和強(qiáng)度直接影響水輪機(jī)進(jìn)水質(zhì)量，其各斷面的出口角與轉(zhuǎn)輪葉片的各斷面進(jìn)口角相對(duì)應(yīng)，因此具有空間曲面，調(diào)整導(dǎo)葉開度即可調(diào)整機(jī)組的轉(zhuǎn)速、功率。全關(guān)時(shí)則可切斷水流使機(jī)組停機(jī)導(dǎo)葉體的進(jìn)、出水邊密封面為空間平面或空間曲面，貫流式機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)及導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)的特殊性，使得整個(gè)導(dǎo)葉在工作或卡死是的應(yīng)力分布和變形變得十分復(fù)雜。

本文就針對(duì)這一種情況結(jié)合某電站實(shí)例，采用CATIA仿真模擬導(dǎo)葉承受多種載荷和各種運(yùn)行工況下的受力分析，對(duì)導(dǎo)葉在正常工作，導(dǎo)葉全關(guān)，頭部卡死和尾部卡死狀態(tài)下導(dǎo)葉各個(gè)部分的受力情況以及變型情況做出分析。

CATIA是法國(guó)達(dá)索公司的產(chǎn)品開發(fā)旗艦解決方案。作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，它可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。論是實(shí)體建模還是曲面造型，CATIA具有在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)的方便的修改能力，尤其是后期修改性無(wú)由于CATIA提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，用戶可方便快捷的對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改，即使是在設(shè)計(jì)的最后階段需要做重大的修改，或者是對(duì)原有方案的更新?lián)Q代，對(duì)于CATIA來(lái)說(shuō)，都是非常容易的事。CATIA先進(jìn)的混合建模技術(shù) 設(shè)計(jì)對(duì)象的混合建模：在CATIA的設(shè)計(jì)環(huán)境中，無(wú)論是實(shí)體還是曲面，做到了真正的互操作； 變量和參數(shù)化混合建模：在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者不必考慮如何參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，CATIA提供了變量驅(qū)動(dòng)及后參數(shù)化能力。CATIA的各個(gè)模塊基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，因此CATIA的各個(gè)模塊存在著真正的全相關(guān)性，三維模型的修改，能完全體現(xiàn)在二維，以及有限元分析，模具和數(shù)控加工的程序中。其導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的三維裝配結(jié)構(gòu)如圖2。

1.3 導(dǎo)葉的應(yīng)力分析

CATIA有限元一般分析流程為：

①、②、③過(guò)程是有限元分析前處理，④是計(jì)算過(guò)程，⑤、⑥是有限元后處理。

①?gòu)娜S實(shí)體建模模塊進(jìn)入有限元分析模塊。

②在形體上施加約束。

③在形體上施加載荷。

④計(jì)算（包括網(wǎng)格自動(dòng)劃分），解方程和生成應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果。

⑤分析計(jì)算結(jié)果，單元網(wǎng)格、應(yīng)力或變形顯示。

⑥對(duì)關(guān)心的區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格、重新計(jì)算。

導(dǎo)葉計(jì)算的邊界條件為：軸套處的節(jié)點(diǎn)徑向位移為零；上軸端中心處的節(jié)點(diǎn)軸向位移為零；為了考慮導(dǎo)葉臂的作用，上軸2 節(jié)點(diǎn)處沿切向位移為零。

當(dāng)導(dǎo)葉在升壓水頭H=15.6 m且全關(guān)時(shí)，導(dǎo)葉的變形及應(yīng)力圖分別如圖3、圖4所示。

當(dāng)導(dǎo)葉在最大靜水頭H=11.7 m，關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉卡死（包括頭部和尾部卡死）的情況下，導(dǎo)葉的變形及應(yīng)力圖分別如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。

去掉應(yīng)力集中綜合應(yīng)力表現(xiàn)如表2所示。

如以上系列圖可知升壓關(guān)閉時(shí)、頭部卡死、尾部卡死的綜合壓力都小于許用應(yīng)力，說(shuō)明在各工況下的綜合應(yīng)力是滿足要求的。

2 結(jié) 論

本課題采用三維實(shí)體建模軟件CATIA，結(jié)合某貫流式水電站具體運(yùn)行情況，針對(duì)導(dǎo)葉的結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了三維實(shí)體幾何建模。使用大型有限元軟件MSC.NASTRAN對(duì)其物理模型進(jìn)行了靜力強(qiáng)度分析計(jì)算。分析結(jié)果表明：在各復(fù)雜載荷及多種工況下，通過(guò)對(duì)比材料的屈服應(yīng)力極限，燈泡貫流式水輪機(jī)各關(guān)鍵零部件均滿足強(qiáng)度要求，并還有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，能滿足機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的需要。另外，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，結(jié)合三維實(shí)體造型和有限元分析大型商業(yè)軟件，對(duì)機(jī)組重要關(guān)鍵零部件行分析計(jì)算，可以使設(shè)計(jì)者對(duì)個(gè)關(guān)鍵零部件的應(yīng)力分布和變形狀態(tài)有較為準(zhǔn)確的了解，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行必要改進(jìn)和優(yōu)化。同時(shí)說(shuō)明整個(gè)課題的研究方法是可行的。在保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，為在今后同類型機(jī)組開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，提高各件性能，減小維護(hù)成本等提供有益的參考。

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