贯流式水轮机管形座强度与优化设计探讨

温艾军（成都天翔环境股份有限公司，四川　成都　610300）



贯流式水轮机管形座强度与优化设计探讨

温艾军（成都天翔环境股份有限公司，四川成都610300）

经济的迅速发展和产业的不断扩大为电力行业的发展赢得了良好的发展机会和广阔的发展市场，近年来水力发电逐渐行兴起，水轮发电机组作为水力发电的重要设施在一定程度上直接影响了整个电力的运转，灯泡贯流式水轮发电机逐渐渗透到电力行业中，那么加强贯流式水轮机管型座强度分析也就显得格外重要了。本文对贯流式水轮机管型座强度进行了深入分析，并且进一步探讨了优化设计的方案，以供参考。

贯流式水轮机；管形座强度；优化设计

随着社会的不断发展和进步，水电行业的发展呈现蓬勃趋势，随之而来的质量安全问题逐渐成为社会关注的焦点，贯流式水轮机是现代化的机械设备，在水利发电中的应用具有很大的优势，为发电的连续性和安全性提供了良好的保障；在科技大发展的背景下，贯流式水轮机被得到广泛应用，传统的设计方法已经不能满足现代设备的需求了，需要跟随时代的步伐不断的改进和完善，利用更多的新型技术和产品进一步的优化，从而促进水电行业的进一步发展。

1　贯流式水轮机管形座的结构

以某种型号的灯泡贯流式水轮机和发电机为例对管形座的结构进行分析。该管形座主要是由管形座锥壳、过人孔和断面法兰等部分组成，管形座上端与定子机座连接，下端与导水机构连接；管形座过人孔的两端一般是和水电站的混凝土基础和锥孔连接，这样使过人孔成为十分坚固的支柱。整体结构上水轮机管形座主要是通过铸造和焊接两种方式来进行加工制造的，一般采用左右两半组焊形成一个完整的圆锥体，然后将其埋入水轮机电机组的电站基础中，保证与锥壳内部的连通性，并且将另一端固定在基础上。对管形座结构进行分析，利用有限元的分析方法，将管形座的结构进行单元划分，来对其实际的形状进行模拟，在这个过程中，管形座的结构对应力没有太大的影响，能够避免出现管形座结构出现畸形。

2　贯流式水轮机管形座的强度分析

2.1管形座的建模

2.1.1水轮发电机管形座几何建模过程

（1）对管形座的外形进行分析，包括直径的测量、形状的辨别等，运用Pro/ENGINEER中旋转命令将分析的结果通过图形的方式呈现出来，绘制出相同大小、相同形状的管形座图形，将平面的图形通过旋转的方式生成立体的几何图形［1］。如图1所示。

图1　

（2）Pro/ENGINEER发出拉伸的命令去除多余的材料，在底盖上创建第一个通孔，然后Pro/ENGINEER发出实体阵列的命令，根据第一个通孔创建其他通孔，如图2所示。

（3）根据前视图的成像情况创建基准平面图，并且在基准平面上绘制过人孔的草图，Pro/ENGINEER会再次发出拉伸命令去除多余的材料，最终生成管形座锥壳上的过人孔，如图3所示。

2.1.2水轮机管形座的参数化建模

图2　

图3　

水轮机管形座的参数化建模需要借助ANSYS软件。①在ANSYS软件新建一个工作文件对参数的初始值进行设置，并且对关键点进行创建和确定，然后将这些关键性点进行有效的连接，各点在连接后会形成一个封闭的区域，也就是所谓的截面；②将截面进行360°的旋转，在旋转后平面的图形会转变成立体的图形，也就形成了基体；之后就是上述所提到了过人孔截面的创建，主要是按照关键点的创建、连线和截面生成的方式创造过人孔截面，并且字过人孔截面形成的过程中需要对截面进行拉伸、对实体进行旋转和分割，将无效的实体删除，将有效的实体相接，最终建立过人孔的实体模型［2］。

2.2水轮机管形座的静强度分析

2.2.1管形座的约束

在发电机组的实际运行中，管形座需要对全自由度进行约束，重要指通过人孔室与基础进行牢固连接，并且将圆锥体与人孔室焊接在一起，从而达到约束的目的；其次要保证管形座两端与转轮处于相连的状态，并且尽可能的避免出现X，Y，Z任何一个方向的位移情况，所以需要在人孔室和基础牢固端施加约束，从而限制其自由度［3］。

2.2.2管形座的荷载

管形座的荷载值受到多种因素的影响，包括水轮机锥壳法兰上的轴向水推力、扭矩、水轮机静载以及过人孔底面上水压力等这些情况都是管形座的荷载值应该考虑的问题，利用ANSYS软件对上述值进行计算，具体情况如下：

2.2.3管形座静强度的计算分析

管形座静强度的计算主要是利用ANSYS软件求解应力，主要理论依据为不论在应力处于何种状态，只要材料的最大剪应力与材料性质的相关性达到某一极值时，材料就会呈屈服状态，具体为：

式中：J2表示的是应力不变量，C代表一个常数。

分析：根据上述的计算进行分析发现靠近管形座椎体与两侧入孔室的连接处应力较为集中，水静压力荷载的作用产生了较大的变化；在管形座的上端法兰处在扭矩和水推力工作作用的影响下产生了应力集中的情况［4］。

3　贯流式水轮机管形座的优化设计

3.1优化设计的步骤

（1）需要生成分析文件。分析文件应该包含多方面的内容，包括参数模型的建立，求解以及参数化结果的提出等，通过这些内容生成分析文件，参数模型的建立主要是对设计变量进行处理，一般设计变量可以在程序的任何环节进行初始化，而且这些变量在循环的过程中会产生一定的变化，所以一般在设计计算的最开始可以使用；求解需要借助求解器来完成有限元的计算，主要用于定义分析类型和分析选项上，然后施加一定荷载并且指定荷载来进行计算，同时还要保证所有分析的数据都必须是经过制定的，比如说凝聚法分析中的主自由度、非线性分析中的收敛准则等都是求解必须遵循的；参数化结果的提取，由于参数提出涉及到数据的储存、加减等操作，所以需要需要通过OOST1来完成参数的提取。

（2）及时建立优化过程中的参数。建立数据参数库首先需要读入和分析文件相联的数据库文件，根据分析的情况在ANSYS中建立整个模型的数据库，例如某工程在分析的过程中采用GUI读取数据库中的文件和信息；然后将读取和分析的文件直接读入ANSYS进行整体情况的分析，整个数据库各方面的情况都产生了一定的变化，在某种意义上属于新建的数据库［5］。

进入优化处理器。将上述数据库中的参数自动设置为设计序列，然后通过优化处理器来对这些参数进行合理的设计。

声明优化变量。所谓的声明优化变量就是明确指出设计变量、状态变量以及目标函数等各方面的内容，一般设计变量不能超过60个，状态变量不能超过100个，目标函数只能为一个，并且对于设计和状态变量可以对最大值和最小值进行定义，但是目标函数一般没有特定的范围［6］。

3.2管形座的优化数学建模

管形座为优化数学建模是将实际问题通过数学方式来描述并且通过数学模型来分析，例如在明确管形座设计变量、约束条件和目标函数之后对有优化设计的问题进行分析，具体情况如下：

将设计点的结合用R来表示，对x进行求值，具体为：

管形座的板厚是管形座优化设计的变量，需要根据设计的对象需要的功能为依据来进行约束条件的建立，在结构优化的过程中，首先要考虑的问题就是管形座结构的强度和刚度，防止管形座出现变形。对管形座设计的时候要考虑结构单元应力不能超过材料的应力。

3.3管形座的优化设计

管形座的优化设计需要利用上述的几何模型，利用几何模型对有限元网格进行划分，在边界条件中增加位移约束、荷载约束等，并且将这些内容提交给ANSYS软件中的计算模块来合理计算，计算出结构后进入后续处理模块，生成列表后再次进行求和计算，并且将计算的结果赋给特定的参数等，通过多环节的参与和计算对设计进行全面的分析，从而达到最优化的目的，包括变量的最优取值范围、定义最大优化次数等各方面内容［7］。

在管形座优化设计过程中，要注意获取目标函数，目标函数能够表示管形座的总体重量，通过目标函数能够了解管形座的基本总体积。对管形座进行优化的流程主要如图4所示。

图4　优化设计流程图

通过对管形座的优化设计，能够有效的减轻管形座的重量，使产品的研制周期得到缩短，其应用前景十分的广阔，能够促进水轮发电设备制造行业的发展。

4　结束语

综上所述，随着人们生活水平和生活质量的提高对电力运行的质量和安全提出了更高的要求，近年来电力资源紧张的问题逐渐暴露对人们的生活和社会的发展造成了严重影响，贯流式水轮机作为现代化的设备在水利发电中的应用也就成为了顺应社会潮流的必然趋势，管型座是贯流式水轮机的重要组成部分，对发电情况起着非常重要的作用，所以需要保证其强度的合理性。笔者提出，贯流式水轮机是一种新型设备，在设计上需要进一步的优化，在自我探索的同时学习国外的先进技术和丰富经验，然后结合我国的实际情况进一步的改善，使其在水利发电中能够得到广泛应用和普遍推广。希望通过本文的简单分析，能够帮助相关工作人员更好的开展工作。

［1］高鸿翔，张淑红.基于ANSYS的贯流式水轮机管形座的强度分析［J］.创新科技，2013，21（7）：77～78.

［2］杭建定，马振宇.简易行车安装灯泡贯流式水轮机管形座［C］.甘肃省水力发电工程学会、广东省水力发电工程学会、湖南省水力发电工程学会.2010年水电站机电技术研讨会论文集.2010，15（22）：105～106.

［3］李雪琴.三溪口水电站水轮机组管形座安装［J］.云南水力发电，2013，12 （5）：69～71，97.

［4］邓自敏，王春雷，郭宏亮，等.炳灵水电站48MW灯泡贯流式水轮机结构设计［J］.科技创业家，2013，23（7）：56.

［5］赵亚萍，廖伟丽，李志华，等.C型及S型叶片的贯流式水轮机流场特性［J］.农业工程学报，2013，19（17）：47～53.

［6］钱忠东，魏 巍，冯晓波，等.灯泡贯流式水轮机全流道压力脉动数值模拟［J］.水力发电学报，2014，33（4）：242～249.

［7］石建伟，宋文武，赵 成，等.基于CATIA的贯流式水轮机过流部件的强度分析［J］.中国农村水利水电，2014，19（10）：154～156.

温艾军（1982-），男，汉族，工程师，本科，主要从事机械设备制造工作。

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2016-6-1