混流式水轮机设计实例-叶片设计共34页
混流式水轮机转轮叶片三维造型的研究
三维 模 型 ， 由于 软件 的本 身 缺 陷 可 能 造 成 叶 片 模 型 的 不正 常 凹 凸现 象 ， 能 提供 精 确有 效 的三 维 模 型 。 不
图 １ 木模 截面图直接生成 的 ３ Ｄ图形
１ 混 流 式 转 轮 叶 片 三 维 造 型 的原 理
木 模截 面 图 直 接 生 成 的 ３ 图形 ， 图 １所 示 。 Ｄ 如
Ｇ ｍ ｉ中生 成 三 维 模 型 。 先 找 出 叶 片 的几 组 轴 面 截 ａ ｂｔ
线； 在此基础 上用 一元 理论 绘制 出水 流过 叶片工 作
面 和背 面 的类 流线 ； 类流 线 组成 叶 片工 作 面和 背 面 ， 用
收 稿 日期 ： ２ ０ ０ ７—１ ０一ｌ ６
生成面域以 ．ａ 文件输 出。打开 Ｇ ｍ ｉ直接读人从 ｓ ｔ ａｂ ｔ
要精确的三维数字化模 型 ； 以前 的电站大多数都只 而 有 木模 图 ， 而 基 于 木 模 图 的三 维 造 型 是 很 有 意 义 因
的。 因混 流式 机 组 应用 广 泛 ， 本 文 以混 流 式 水 轮 机 故
转轮 叶片 为例 进 行 三维 造 型分 析 。
如 果直 接 利 用 木 模 图 的 二 维 线 条 为 边 界 来 生 成
维普资讯
２０ ０ ８年 ７月
农 机 化 研 究
第 ７期
混 流 式 水 轮 机 转 轮 叶 片 三 维 造 型 的 研 究
曾永 忠 ，陈 波， 陈 果 ，黄 煌
（ 华 大 学 能 源与 环 境 学 院 ，成 都 西
６０ ３ ） １０ ９
摘
要 ： 传 统 的水轮 机 转 轮设 计包 括 流体 动 力学 设计 和 几 何设 计 ， 几 何 设 计 中采 用 二维 木 模 图来 表 示 叶 片 ， 在 无
贯流式水轮机转轮叶片的三维造型
贯流式水轮机转轮叶片的三维造型陈明辉;孙旋;罗兆伟【摘要】The blade is an important part of the wheel, it is difficult to directly put the two-dimensional CAD into Pro / E. Based on the three-dimensional coordinates, the curve of the blade section generated multiple IBL file by Matlab that closed the gap of section curve at the adjacent section curve coordinates. In order to read into the data file import Pro / E, each curve is generated in accordance with dividing into two halves on the back surface. Furthermore, blade of the entities relied on text editor for repairing. Finally, three-dimensional modeling will be completed.%叶片是转轮的重要组成部分,且叶片上冠曲线为空间曲线,难以通过二维CAD直接导入到Pro/E,因此,以水轮机转轮叶片的三维坐标为基础,利用Matlab生成多个ibl文件的叶片截面曲线,对不闭合截面曲线缺口处,以相邻截面曲线的坐标进行缝合,然后以读入数据文件的方法依次导入到Pro/E,将各个曲线按照正、背面分成两半面的方法生成曲面,最后叶片实体以编辑文件的方法进行修型,最终实现叶片的三维造型.【期刊名称】《邢台职业技术学院学报》【年(卷),期】2015(032)005【总页数】3页(P85-87)【关键词】叶片;Pro/E;Matlab【作者】陈明辉;孙旋;罗兆伟【作者单位】邢台职业技术学院,河北邢台 054035;邢台职业技术学院,河北邢台054035;邢台职业技术学院,河北邢台 054035【正文语种】中文【中图分类】TK73转轮是水轮机的核心部件，实现能量转换，它的好坏直接影响水轮机的效率[1]。
水轮机叶片毕业设计
一、工程背景及水轮机叶片简介图 1、为某型水轮机叶片的CAD模型。
在发电工作工程中水流由进水口流向出水口，叶片承受水流的冲刷从而开始运动，这种运动通过传动轴传递到发电机，从而带动发电机工作发电。
但是水轮机在工作仅仅一年多时间以后，就有数片叶片发生了疲劳断裂事故，使得水轮机不能正常工作发电，造成了一定的经济损失，同时也说明水轮机叶片在结构的设计方面确实存在不完善之处。
然而，由于水轮机在水下进行工作，很难通过测量得方法获得叶片上应力和位移的分布情况，也就无法知道叶片为何会断裂，无法有效的改善叶片的几何结构。
在这种情况下，长江水利委员会陆水枢纽局的委托我们对LS591水轮机叶片的进行Ansys有限元模拟计算，获得叶片的应力场和位移场的分布，从而为叶片断裂事故分析提供技术支持，并对叶片结构的改进提供具体方案。
传动轴进水口出水口图1、CAD模型二、ANSYS简介及解题步骤1、ANSYS简介对于大多数工程技术问题，由于物体的几何结构比较复杂或则问题的某些特征是非线性的，我们很难求得其解析解。
这类问题的解决通常具有两种途径：一是引入简化假设，但这种方法只是在有限的情况下是可行的。
也正是因为这样，有限元数值模拟的技术产生了。
有限元方法通过计算机程序在工程中得到了广泛的应用。
到80年代初期，国际上较大型的面向工程的有限元通用软件达到了几百种，其中著名的有：ANSYS,NASTRAN,ASKA, ADINA,SAP等。
其中，以ANSYS为代表的工程数值模拟软件，即有限元分析软件，不断的吸取计算方法和计算机技术的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程问题必不可少的有力工具。
尤其是在某些环境中，样机试验是不方便的或者不可能的，而利用ANSYS软件，对这个问题有了很好的解决。
本文中水轮机叶片是在水下的环境进行工作，测量很难进行，利用有限元软件ANSYS这个问题得到了很好的解决。
2、ANSYS分析步骤ANSYS分析可以分为三个步骤：a、创建有限元模型（1）创建或读入几何模型根据实体模型按照给定的尺寸建立模型或者直接导入已经生成的几何模型，并对其进行一定程度的修复、简化等。
混流式水轮机叶片自由曲面的延展
混流式水轮机叶片自由曲面的延展摘要：传统的木模图法在表示水轮机叶片时存在表示叶片不完整和无法引入计算机辅助设计及制造的不足，为此本文提出了基于最小二乘法的非均匀有理8 样条曲线曲面延展法，解决了混流式水轮机叶片空间曲面的小区域延展问题。
同时结合水轮机叶片形状特点，利用自由曲面和解析曲面的求交法确定了叶片的延展边界，实现了叶片曲面的整体造型。
论文最后算例分析表明，该方法能够得到精度较高的延展曲面，同时算法稳定可靠。
关键词：延展求交拟合自由曲面水轮机叶片混流式水轮机叶片是一个复杂的空间扭曲而，长期以来，工程上采用木模图来表达水轮机转轮叶片、控制叶片的加工精度和测量精度。
经过长期的应用和发展这种空间扭曲叶片的木模图能够较好的满足传统的工艺制作及放样，然而在计算机辅助设计和制造技术广泛应用的今天，木模图的不足凸现出来[1，2]。
首先木模图直接面对加工制造，无法应用于研究分析整个叶片的几何特点和力学特性；再者无法直接把木模图引入计算机辅助设计和制造系统，这大大影响叶片的设计和制造质量。
随着科学技术的飞速发展，这种采用木模图来表达水轮机转轮叶片的方法已经逐渐不能满足当今市场竞争的需要。
随着自由曲面造型技术的发展，此项技术应用子水轮机叶片的曲面造型初步解决了水轮机转轮叶片的表示问题。
此项技术利用已知型值点构造非均匀有理B样条曲线曲面，进而拟合得到叶片的空间表达方程。
这种方法存在一个不足[1，3，4，5]，即非均匀有理6样条曲线曲面无法定义型值点区域外的图形，对混流式水轮机叶片的进行曲面造型时表现为无法拟合0-0断面和上冠之间区域的曲面形状。
这就引出了非均匀有理6样条曲线曲面延展问题。
1基于最小二乘法的非均匀有理B样条曲线曲而延展法1.1延展问题的已知条件现在通用的木模阁在表示水轮机叶片时一般给出等2而的0^)数椐。
如图1所示，由图可以看出，在0-0断而以上只有一个已知型值点，即进水边与上冠的交点，有时甚至还没有表示出这个点；同样在16-16断而以下也只有一个已知型值点，即出水边与下环的交点，有时甚至还没有表示出这个点。
混流式水轮机设计实例-叶片设计
1e
同理，
u
2
9.63m / s
V
o
m2
f ( L 2) 4.45m / s
2
arctan V m 2 24.8
对于其他流线同理可得到以下数据：
u
2e
26.8
0
2
进出口速度三角形的计算结果
流线 L1 r1 528 r2 276 u1 18.43 Vu1 17.13 Vω1 1.3 Vm1 4.1 β1（º） β1e（º） 72.41 74.41 u2 9.63 Vm2 4.45 β2（º） β2e（º） 24.8 26.8
2
1
根据已知，为便于计算取 (V uR)
2
0
r
1
528mm, r 2 276mm, u 1
2 r 1n 60
2 528 333.3 10 60
3
18.43m / s
2 n 2 333.3 34.89 60 60
V
m1
f ( L1) 4.1m / s
在方格纸上绘出V f ( L) 曲线图，L为等势线与流线交点到流 线进口端点的弧线长度。
m
16
Vm(m/s)
15
14
13 12 11
10
9 8 7 6
5
L1 L2 L3 L4 L5
4 3 2
1
0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 L(mm)
A
R
n
式中 R----流道出口断面外半径 n----出口断面的圆环个数。 出口断面CD上各轴面分点位置可 用半径rk表示。 K r n R
混流式水轮机
/trade/pay_success.htm?biz_order_id=213979720000462&out_trade_no=T200P213979720000462&dealing=T第一节混流式水轮机结构一、概述混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。
它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。
现以图2-1所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。
水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶1，在转轮四周布置着导水机构导叶2。
座环支柱具有坚固的上环a和下环b，蜗壳和上下环焊接在一起。
导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环3和固定于顶盖4的套筒5上。
底环固定于座环的下环上面。
顶盖用螺钉6与座环的上环连接。
导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂12，连杆13和控制环14组成。
导叶的开度0a（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个接力器16和控制环连接的推拉杆15传动控制环来实现的。
图2-1 HL200-LJ-550水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位：mm）1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；a19,b19—上，下迷宫环；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度0b与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。
此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。
0b一般随水头增加而减小。
导叶和水轮机顶盖4及底环3之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。
一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。
混流式水轮机
/trade/pay_success.htm?biz_order_id=213979720000462&out_trade_no=T200P213979720000462&dealing=T第一节混流式水轮机结构一、概述混流式水轮机是反击式水轮机的一种，其应用水头范围很广，从20~700m水头均可使用。
它结构简单，制造安装方便，运行可靠，且有较高的效率和较低的空蚀系数。
现以图2-1所示的混流式水轮机为例来介绍这种水轮机结构。
水轮机的进水部件是具有钢板里衬的蜗壳，座环支柱也称固定导叶1，在转轮四周布置着导水机构导叶2。
座环支柱具有坚固的上环a和下环b，蜗壳和上下环焊接在一起。
导叶轴颈用衬套（钢或尼龙材料）支承在底环3和固定于顶盖4的套筒5上。
底环固定于座环的下环上面。
顶盖用螺钉6与座环的上环连接。
导水的传动机构是由安置在导水叶上轴颈的转臂12，连杆13和控制环14组成。
导叶的开度0a（从导叶出口边端到相邻导叶背部的最短距离）的改变是通过导水机构的两个接力器16和控制环连接的推拉杆15传动控制环来实现的。
图2-1 HL200-LJ-550水轮机剖面图（高度单位：m，尺寸单位：mm）1—固定导叶；2—导叶；3—底环；4—顶盖；5—套筒；6—螺钉；7—主轴法兰；8—主轴；9—上冠；10—下环；11—叶片；12—转臂；13—连杆；14—控制环；15—推拉杆；16—接力器；17—导轴承；18—泄水锥；a19,b19—上，下迷宫环；a—坐环上环；b—坐环下环；20—连接螺栓由于混流式水轮机应用水头较高，导叶承受的弯曲载荷大，因此导叶的相对高度0b与轴流式水轮机比较起来做得短一些，以减小跨度。
此外，随着水头增高，相同功率下水轮机的过流量减小，这样有可能减小流道的过流载面。
0b一般随水头增加而减小。
导叶和水轮机顶盖4及底环3之间的间隙及相邻导叶在关机时的接合面都会有漏水现象。
一般采用橡胶的或金属制成的密封件，可使导水机构关闭时的漏水量最小。
混流水轮机转轮叶片最优化设计
清华大学学报(自然科学版)25/26 1997年第37卷Jo urnal of T sing hua U niver sity (Sci &T ech)第3期第102～105页 混流水轮机转轮叶片最优化设计*陈乃祥, 林汝长, 罗兴琦清华大学水利水电工程系,北京100084 收稿日期:1996-02-09 第一作者:男,1945年生,副教授 *国家自然科学基金项目(59379409), 三峡基金资助项目(59493700)文 摘 用计及叶厚、有限叶片数影响及来流有旋的全三维设计理论及最优化技术中的单纯型法寻优,用SWIF T 法将反映包角、叶片流速及流动分离等约束的等式和不等式约束条件计入目标函数,以V H r 的分布为优化参数进行混流式水轮机转轮最优化设计的初步尝试。
给出了理论、方法及算例,其中包括分别按汽蚀性能优化和按损失最小优化及多目标优化的结果。
其中损失计入叶片正、背面及上冠下环的沿程损失和叶片进口撞击损失、出口扩散损失。
关键词 全三维;最优化;水轮机转轮;有旋流动分类号 T K 730.2水轮机转轮的最优化设计是在一定前提条件下,在一切可能设计出的转轮中设计并选择出性能最优的转轮。
而最优化设计计算必须解决以下几个问题:1)提出最优化标准、并进行量化、亦即目标函数值计算;2)最优化是在什么前提条件和限制条件下进行的,并应数模化;3)用什么方法尽快求出最优解,即选择最优化方法,本文针对水轮机转轮叶片设计,以V H r 为被优化参量,在转轮流道形状给定的前提下,进行叶片最优化设计,文中分述了设计方法、目标函数、约束条件及计算结果的简要分析。
1 转轮叶片设计模型设计模型对设计成的转轮特性可控制程度起着关键作用,所以本文选择全三维反问题设计模型进行最优化设计计算。
现将模型简述如下:参考文[1,2]建立来流有旋的全三维反问题设计模型。
在不可压、无粘流假设下,设来流涡量为81,将转轮内的三维流动分解为周向平均流动和周期性脉动流动,并用置于叶片中面的源(汇)Q 及涡82分别代替叶厚及叶片对水流的作用,则涡场8和源汇Q 为8=81+8-1+8~2(1)Q =Q -õ+Q ~õ(2)8~2+Q ~õ=(8-2+Q -õ)M (s )(3)其中8-2,Q -õ分别为82,Q õ的周向平均分量,8~2,Q ~õ分别为其周向脉动分量,其中M (s )=2Re 6+∞k =1exp (i K Bs ),s =H -f (r ,z ),当s =0,H =f (r ,z )时即为叶片中面方程,r ,H ,z 为圆柱坐标三分量,则可得到以下支配方程:1)由81,8-2,Q -õ产生的二维流动根据涡、源的定义、Chebsch 转换、流函数U 及势函数5的定义可得到下述方程$2U =-r [$s õ$(V H r )]-r [(W-z +W -H r 9f 9z )9E -r 9r -(W -r +W -H r 9f 9r )9E -r 9z]/W -2(4)$25=Q -õ=B [9(t H W -*r )9r +9(t H W -*r )9z ]/2P r (5)该两式的边界条件根据上冠、下环为流线、进口W -z =0及出口参考试验结果或计算给出。