贯流式水轮机导叶建模及应力分析

贯流式水轮机导叶建模及应力分析

作者：王兴林宋文武

来源：《企业技术开发·中旬刊》2012年第10期

摘要：贯流式式水轮机不断向着高水头、大容量发展，对各个部件的强度要求也随之提高。贯流式水轮机导叶在高水头、大容量的情况下容易产生脱流，诱发汽蚀，造成水力振动使导叶变型，从而影响机组的效率。本文结合电站实例，对导叶受多种载荷及各工况下进行强度分析计算，论证机组在各载荷及工况下运行时的强度及变形满足机组稳定运行要求，尤其是对导叶全关、头部卡死，尾部卡死状态下的应力的分析。确保机组安全、稳定运行。并通过对主轴等的有限元研究分析，为以后该型水轮发电机组的整机及其它部件的优化设计奠定了一定的基础。

关键词：贯流式；导叶；三维建模；应力分析

中图法分类号：TV734.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）29-0037-02

转轮前后流道为直线形或近于直线形，导水机构为圆锥式，采用直尾水管的水轮机称为贯流式水轮机。贯流式水轮机具有水流方向基本不变、过流能力大、比转速高、效率高、结构紧凑、体积小、土建工程量小等特点，是开发低水头水力资源的优良机型。

近年来计算机及流场数值模拟技术的快速发展，计算机辅助软件技术应用到贯流式水轮机过流部件的三维模拟、流动分析和强度分析等。采用CFD分析软件，对于转轮内部的三维紊流流场进行数值模拟，并由此得出其内部流场、压力场的分布情况及其水力效率和容积效率等起着重要作用。CATIA软件用于贯流式水轮机锥形导水机构导叶的干涉检查、模拟仿及结构强度分析，更好地解决了贯流式水轮发电机锥形导叶全关时的空间密合问题、运行强度问题。

1 贯流式水轮机导叶结构分析

灯泡贯流式机组导水机构的主要功能是使水流在进入转轮前产生环量。并根据机组的功率的需要调节流量，水轮机停止运行时，导叶关闭切断水流。贯流式水轮机的导水机构运动为空间运动，导叶瓣体呈锥形，各截面的尺寸相差较大，且两端面为凸、凹球面的一部分，即瓣体凸球面的一端是轴，另一端则是凹球面；导叶共16个，程圆锥布置，其轴心线与中心线为65°，导叶是形成水流环量的重要部件，其水力效率和强度直接影响水轮机进水质量，其各断面的出口角与转轮叶片的各断面进口角相对应，因此具有空间曲面，调整导叶开度即可调整机组的转速、功率。全关时则可切断水流使机组停机导叶体的进、出水边密封面为空间平面或空间曲面，贯流式机组导水机构及导叶结构的特殊性，使得整个导叶在工作或卡死是的应力分布和变形变得十分复杂。

本文就针对这一种情况结合某电站实例，采用CATIA仿真模拟导叶承受多种载荷和各种运行工况下的受力分析，对导叶在正常工作，导叶全关，头部卡死和尾部卡死状态下导叶各个部分的受力情况以及变型情况做出分析。

CATIA是法国达索公司的产品开发旗舰解决方案。作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。论是实体建模还是曲面造型，CATIA具有在整个产品周期内的方便的修改能力，尤其是后期修改性无由于CATIA提供了智能化的树结构，用户可方便快捷的对产品进行重复修改，即使是在设计的最后阶段需要做重大的修改，或者是对原有方案的更新换代，对于CATIA来说，都是非常容易的事。CATIA先进的混合建模技术设计对象的混合建模：在CATIA的设计环境中，无论是实体还是曲面，做到了真正的互操作；变量和参数化混合建模：在设计时，设计者不必考虑如何参数化设计目标，CATIA提供了变量驱动及后参数化能力。CATIA的各个模块基于统一的数据平台，因此CATIA的各个模块存在着真正的全相关性，三维模型的修改，能完全体现在二维，以及有限元分析，模具和数控加工的程序中。其导水机构的三维装配结构如图2。

1.3 导叶的应力分析

CATIA有限元一般分析流程为：

①、②、③过程是有限元分析前处理，④是计算过程，⑤、⑥是有限元后处理。

①从三维实体建模模块进入有限元分析模块。

②在形体上施加约束。

③在形体上施加载荷。

④计算（包括网格自动划分），解方程和生成应力应变结果。

⑤分析计算结果，单元网格、应力或变形显示。

⑥对关心的区域细化网格、重新计算。

导叶计算的边界条件为：轴套处的节点径向位移为零；上轴端中心处的节点轴向位移为零；为了考虑导叶臂的作用，上轴2 节点处沿切向位移为零。

当导叶在升压水头H=15.6 m且全关时，导叶的变形及应力图分别如图3、图4所示。

当导叶在最大静水头H=11.7 m，关闭时导叶卡死（包括头部和尾部卡死）的情况下，导叶的变形及应力图分别如图5、图6、图7、图8、图9、图10所示。

去掉应力集中综合应力表现如表2所示。

如以上系列图可知升压关闭时、头部卡死、尾部卡死的综合压力都小于许用应力，说明在各工况下的综合应力是满足要求的。

2 结论

本课题采用三维实体建模软件CATIA，结合某贯流式水电站具体运行情况，针对导叶的结构，对其进行了三维实体几何建模。使用大型有限元软件MSC.NASTRAN对其物理模型进行了静力强度分析计算。分析结果表明：在各复杂载荷及多种工况下，通过对比材料的屈服应力极限，灯泡贯流式水轮机各关键零部件均满足强度要求，并还有较大的强度储备，能满足机组安全、稳定运行的需要。另外，运用现代设计方法，结合三维实体造型和有限元分析大型商业软件，对机组重要关键零部件行分析计算，可以使设计者对个关键零部件的应力分布和变形状态有较为准确的了解，并在此基础上对其进行必要改进和优化。同时说明整个课题的研究方法是可行的。在保证机组安全、稳定运行的情况下，为在今后同类型机组开发设计时，提高各件性能，减小维护成本等提供有益的参考。

参考文献：

[1] 宋文武，喻华全，符杰，等.灯泡混流式水轮机流道系列的设计研究[A].第十六次中国水电设备学术讨论会论文集[C].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2007.

[2] 尤春风.CATIA V5机械设计[M].北京：清华大学出版社，2002.

[3] 王守信.有限元法教程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1994.

[4] 朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，1998.

[5] 宋文武，杜同，骆晓晴.一种新型水轮机的研究与设计[J].农业机械学报，2000，（4）.

[6] 严敬.空间导叶设计新方法[J].四川工业学院学报，1991，（Z1）.

[7] 曹鹃，姚志民.水轮机的原理及水力设计[M].北京：清华大学出版社，1991.