貫流式水輪機導葉建模及應力分析

摘 要：貫流式式水輪機不斷向著高水頭、大容量發展，對各個部件的強度要求也隨之提高。貫流式水輪機導葉在高水頭、大容量的情況下容易產生脫流，誘發汽蝕，造成水力振動使導葉變型，從而影響機組的效率。 本文結合電站實例，對導葉受多種載荷及各工況下進行強度分析計算，論證機組在各載荷及工況下運行時的強度及變形滿足機組穩定運行要求，尤其是對導葉全關、頭部卡死，尾部卡死狀態下的應力的分析。確保機組安全、穩定運行。并通過對主軸等的有限元研究分析，為以后該型水輪發電機組的整機及其它部件的優化設計奠定了一定的基礎。

關鍵詞：貫流式；導葉；三維建模；應力分析

中圖法分類號：TV734.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）29-0037-02

轉輪前后流道為直線形或近于直線形，導水機構為圓錐式，采用直尾水管的水輪機稱為貫流式水輪機。貫流式水輪機具有水流方向基本不變、過流能力大、比轉速高、效率高、結構緊湊、體積小、土建工程量小等特點，是開發低水頭水力資源的優良機型。

近年來計算機及流場數值模擬技術的快速發展，計算機輔助軟件技術應用到貫流式水輪機過流部件的三維模擬、流動分析和強度分析等。采用CFD分析軟件，對于轉輪內部的三維紊流流場進行數值模擬，并由此得出其內部流場、壓力場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錐形導水機構導葉的干涉檢查、模擬仿及結構強度分析，更好地解決了貫流式水輪發電機錐形導葉全關時的空間密合問題、運行強度問題。

1 貫流式水輪機導葉結構分析

燈泡貫流式機組導水機構的主要功能是使水流在進入轉輪前產生環量。并根據機組的功率的需要調節流量，水輪機停止運行時，導葉關閉切斷水流。貫流式水輪機的導水機構運動為空間運動，導葉瓣體呈錐形，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；導葉共16個，程圓錐布置，其軸心線與中心線為65°，導葉是形成水流環量的重要部件，其水力效率和強度直接影響水輪機進水質量，其各斷面的出口角與轉輪葉片的各斷面進口角相對應，因此具有空間曲面，調整導葉開度即可調整機組的轉速、功率。全關時則可切斷水流使機組停機導葉體的進、出水邊密封面為空間平面或空間曲面，貫流式機組導水機構及導葉結構的特殊性，使得整個導葉在工作或卡死是的應力分布和變形變得十分復雜。

本文就針對這一種情況結合某電站實例，采用CATIA仿真模擬導葉承受多種載荷和各種運行工況下的受力分析，對導葉在正常工作，導葉全關，頭部卡死和尾部卡死狀態下導葉各個部分的受力情況以及變型情況做出分析。

CATIA是法國達索公司的產品開發旗艦解決方案。作為PLM協同解決方案的一個重要組成部分，它可以幫助制造廠商設計他們未來的產品，并支持從項目前階段、具體的設計、分析、模擬、組裝到維護在內的全部工業設計流程。論是實體建模還是曲面造型，CATIA具有在整個產品周期內的方便的修改能力，尤其是后期修改性無由于CATIA提供了智能化的樹結構，用戶可方便快捷的對產品進行重復修改，即使是在設計的最后階段需要做重大的修改，或者是對原有方案的更新換代，對于CATIA來說，都是非常容易的事。CATIA先進的混合建模技術 設計對象的混合建模：在CATIA的設計環境中，無論是實體還是曲面，做到了真正的互操作； 變量和參數化混合建模：在設計時，設計者不必考慮如何參數化設計目標，CATIA提供了變量驅動及后參數化能力。CATIA的各個模塊基于統一的數據平臺，因此CATIA的各個模塊存在著真正的全相關性，三維模型的修改，能完全體現在二維，以及有限元分析，模具和數控加工的程序中。其導水機構的三維裝配結構如圖2。

1.3 導葉的應力分析

CATIA有限元一般分析流程為：

①、②、③過程是有限元分析前處理，④是計算過程，⑤、⑥是有限元后處理。

①從三維實體建模模塊進入有限元分析模塊。

②在形體上施加約束。

③在形體上施加載荷。

④計算（包括網格自動劃分），解方程和生成應力應變結果。

⑤分析計算結果，單元網格、應力或變形顯示。

⑥對關心的區域細化網格、重新計算。

導葉計算的邊界條件為：軸套處的節點徑向位移為零；上軸端中心處的節點軸向位移為零；為了考慮導葉臂的作用，上軸2 節點處沿切向位移為零。

當導葉在升壓水頭H=15.6 m且全關時，導葉的變形及應力圖分別如圖3、圖4所示。

當導葉在最大靜水頭H=11.7 m，關閉時導葉卡死（包括頭部和尾部卡死）的情況下，導葉的變形及應力圖分別如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10所示。

去掉應力集中綜合應力表現如表2所示。

如以上系列圖可知升壓關閉時、頭部卡死、尾部卡死的綜合壓力都小于許用應力，說明在各工況下的綜合應力是滿足要求的。

2 結 論

本課題采用三維實體建模軟件CATIA，結合某貫流式水電站具體運行情況，針對導葉的結構，對其進行了三維實體幾何建模。使用大型有限元軟件MSC.NASTRAN對其物理模型進行了靜力強度分析計算。分析結果表明：在各復雜載荷及多種工況下，通過對比材料的屈服應力極限，燈泡貫流式水輪機各關鍵零部件均滿足強度要求，并還有較大的強度儲備，能滿足機組安全、穩定運行的需要。另外，運用現代設計方法，結合三維實體造型和有限元分析大型商業軟件，對機組重要關鍵零部件行分析計算，可以使設計者對個關鍵零部件的應力分布和變形狀態有較為準確的了解，并在此基礎上對其進行必要改進和優化。同時說明整個課題的研究方法是可行的。在保證機組安全、穩定運行的情況下，為在今后同類型機組開發設計時，提高各件性能，減小維護成本等提供有益的參考。

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