混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計(jì)探究

摘 要：針對混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、受力特點(diǎn)及轉(zhuǎn)輪各部分網(wǎng)格的自動劃分等方面進(jìn)行了簡要分析，闡述了可實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)的有限元方法及改良復(fù)合形法。在不改變?nèi)~片型線的情況下合理地選擇上冠和下環(huán)的尺寸，從而改善轉(zhuǎn)輪各部分的應(yīng)力分布，求得最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 受力特點(diǎn)

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)組的關(guān)鍵構(gòu)件，其設(shè)計(jì)形成的結(jié)構(gòu)布局、強(qiáng)度性能直接關(guān)系到整機(jī)的使用壽命，與水電站的電力生產(chǎn)及輸送的平穩(wěn)安全與否息息相關(guān)。

混流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪就結(jié)構(gòu)而言由上冠、下環(huán)及葉片組成。通常情況下轉(zhuǎn)輪具有多個(gè)葉片且葉片呈周向均勻分布排列，具有周期性對稱結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪運(yùn)轉(zhuǎn)，需要有力作用在轉(zhuǎn)輪上，而其中主要的作用力表現(xiàn)為葉片所承載的水壓載荷以及葉片在轉(zhuǎn)動過程中所產(chǎn)生的離心載荷力。后者具有與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)相同周期對稱的特征，這一特征也使得葉片的幾何形狀與載荷具有相同的對稱周期、甚至結(jié)構(gòu)的變形也呈周期性對稱。基于上述特征，在對轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)考量時(shí)，可只選取輻射夾角弧度為兩個(gè)圓周率與葉片數(shù)比值的量，即實(shí)現(xiàn)包含一個(gè)對稱周期（其中包含一個(gè)葉片在內(nèi)的上冠與下環(huán)部分）。

2 網(wǎng)格自動劃分

在對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行程序分析的過程中，較難實(shí)現(xiàn)之處為對其結(jié)構(gòu)各部分網(wǎng)格自動劃分的科學(xué)確定。而通常情況下對于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的三大主要構(gòu)件而言，形態(tài)樣式較為規(guī)則的是其上冠與下環(huán)的空間形態(tài)。其中，下環(huán)類似于錐體結(jié)構(gòu)中錐殼的形態(tài)，而上冠則類似于簡單的二維圖形，繞空間軸旋轉(zhuǎn)而成的三維旋轉(zhuǎn)體，但其自身的厚度變化不大，只是外部邊緣有一定隆起的臺階。上冠與下環(huán)部分因其自身的幾何特征可以較為容易地實(shí)現(xiàn)自動化的網(wǎng)格劃分，這使得在人工操作過程中對原始數(shù)據(jù)及信息輸入的要求較少。而在實(shí)際劃分過程中，較為困難的則是葉片部分，由于葉片由三維空間曲面組成，很難通過觀察及測量列出葉片表面形狀的一般數(shù)學(xué)模擬解析式，且葉片實(shí)際呈現(xiàn)出的是彎曲扭轉(zhuǎn)的復(fù)雜空間實(shí)體，運(yùn)用一般的離散坐標(biāo)或自然光滑過渡方法進(jìn)行模擬則會產(chǎn)生較大的誤差亦或?qū)е戮W(wǎng)格畸形的情況發(fā)生。

因此，為了精確地對葉片進(jìn)行網(wǎng)格模擬劃分，可采用三維單參數(shù)樣條函數(shù)的方法對葉片木模圖的各剖面離散點(diǎn)進(jìn)行查值再造處理，形成適合生成網(wǎng)格的數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)，即首先利用木模圖上呈現(xiàn)出的各剖面上的坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)對葉片表面的空間曲線進(jìn)行構(gòu)造擬合，形成基本擬合空間曲線圖像后，再對空間區(qū)間進(jìn)一步調(diào)整，使其更加接近葉片的外形從而實(shí)現(xiàn)對葉片進(jìn)行精準(zhǔn)描述的目的，最后再逐一對空間曲線進(jìn)行葉片正反面對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)分布，并形成最終的網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)。輸入數(shù)據(jù)除了木模圖上給定的坐標(biāo)值外，只需再輸入所需劃分單元的參數(shù)則葉片網(wǎng)格即可實(shí)現(xiàn)自動生成。

3 計(jì)算方法及設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 計(jì)算方法優(yōu)化

（1）傳統(tǒng)計(jì)算方法?；炝魇剿啓C(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法大致可分為準(zhǔn)則法與數(shù)學(xué)規(guī)劃法兩大類。其中，準(zhǔn)則法計(jì)算便捷、直觀易懂，但應(yīng)用范圍具有較大的局限性，常用到桿系結(jié)構(gòu)與平面應(yīng)力元件。而數(shù)學(xué)規(guī)劃方法則充分利用了數(shù)理科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S及數(shù)理模型構(gòu)建覆蓋面廣泛等特征，但需要精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐及較大的數(shù)學(xué)運(yùn)算量。由此可見，應(yīng)針對傳統(tǒng)的計(jì)算方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖儭?/p>

（2）改進(jìn)方法。有限元方法：通過輸入原始數(shù)據(jù)，利用葉片、上冠及下環(huán)網(wǎng)格的數(shù)據(jù)自動生成的功能，將處理生成后的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算模擬系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對單元?jiǎng)偠染仃嚺c應(yīng)力矩陣的計(jì)算與存儲，同時(shí)，對單元載荷量及形成的載荷矩陣進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過程中，通過計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)對計(jì)算方程的范圍約束，實(shí)現(xiàn)結(jié)果的精準(zhǔn)。最后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并分析最終實(shí)現(xiàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力與主應(yīng)力的目標(biāo)。具體計(jì)算流程如圖1所示。

復(fù)合形法：利用三維及以上的n維度空間構(gòu)造一個(gè)頂點(diǎn)為兩倍空間維度即2n個(gè)頂點(diǎn)的n維幾何體，要求全部頂點(diǎn)都要在可行區(qū)域內(nèi)，通過計(jì)算各頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值，并通過實(shí)際比較研究，剔除不適宜的頂點(diǎn)，逐步實(shí)現(xiàn)對最優(yōu)點(diǎn)逼近擬合的過程。在擬合過程中，最終通過數(shù)學(xué)中的收斂函數(shù)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)點(diǎn)確定，但復(fù)合形法的收斂擬合進(jìn)程較為緩慢，尤其是空間維度及頂點(diǎn)數(shù)較多時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)理想新頂點(diǎn)的獲取，通常要向中心點(diǎn)進(jìn)行多次工作量較大的收斂計(jì)算。

在實(shí)際的計(jì)算過程中，應(yīng)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同計(jì)算方法的選取，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的合理分析與利用。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）流程優(yōu)化。先判斷新點(diǎn)的優(yōu)劣性質(zhì)，然后再判斷其是否可行。判斷標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)造初始復(fù)合形時(shí)令新點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)小于原始目標(biāo)函數(shù)的95%為優(yōu)，否則不進(jìn)行新點(diǎn)的約束條件判斷，需重新尋找新點(diǎn)。這一方法同樣可以運(yùn)用到以后的映射尋找新點(diǎn)的過程中。由此可以預(yù)見每調(diào)用一次有限元程序，幾乎都能得到一個(gè)新的較優(yōu)點(diǎn)，這個(gè)方法實(shí)際上在構(gòu)成初始復(fù)合形時(shí)即令原始尺寸為最壞點(diǎn)，程序的效率得到大大提高。

（2）結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大部分計(jì)算時(shí)間用于對結(jié)構(gòu)的重復(fù)分析方面，在進(jìn)行編制優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的過程中，應(yīng)減少使用有限元分析的次數(shù)，并結(jié)合實(shí)際進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化。在轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，葉片形狀及厚度與轉(zhuǎn)輪的水力性能高度相關(guān)，因此，可不考慮對其進(jìn)行優(yōu)化，這樣操作可實(shí)現(xiàn)葉片尺寸一直保持不變，使得葉片重量、單元?jiǎng)偠染仃?、彈性矩陣及載荷量矩陣也基本保持不變。在優(yōu)化分析過程中亦無需對上述幾項(xiàng)進(jìn)行計(jì)算，從而達(dá)到分析簡化、節(jié)約工作時(shí)間與工作量的目的。

4 結(jié)束語

較多干擾水電站機(jī)組運(yùn)行效率及安全的因素中，對于混流式水輪機(jī)而言，作為其核心部件的轉(zhuǎn)輪，對水輪機(jī)效率的影響不言而喻，因此轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)是整個(gè)水輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中至關(guān)重要的部分。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到新的改進(jìn)方法，同時(shí)運(yùn)用網(wǎng)格劃分、計(jì)算流體動力學(xué)并結(jié)合模型試驗(yàn)技術(shù)，從而開發(fā)出具有優(yōu)良性能的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，對縮短設(shè)計(jì)周期、降低開發(fā)成本及提升水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)整體水平具有重要的理論及實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

[1]王少波.大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)動力特性分析[J].機(jī)械強(qiáng)度，2004.

[2]馬廷衛(wèi).混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)分析研究[D].西華大學(xué)，2006.

作者簡介：胡佳琪（1982-），女，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)技術(shù)管理工作。