一種沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法
【技術領域】
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[0001]本發(fā)明涉及沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法。
【背景技術】
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[0002]水斗是沖擊式水輪機的核心部件，水斗結構復雜且曲面變化劇烈，在機組運行過程中承受巨大的脈沖載荷，極易發(fā)生斷斗事故，必須嚴格控制水斗的動應力和靜應力水平。
[0003]目前，在沖擊式水輪機水斗應力分析中，通常考慮水輪機額定出力工況和離心力工況，只采用簡化的射流力載荷進行計算，作用在轉輪上的射流力按照一定比例分別施加在相鄰的幾個水斗上，同時考慮機組轉速引起的離心力載荷以及轉輪與主軸連接螺栓的固定約束。利用該方法只能得到水斗運行過程中的最高應力和最低應力。
[0004]這種分析方法的缺點是:只采用簡化的射流力載荷作為水斗應力分析有限元模型載荷，計算精度較差；分析方法簡單，不能精確描述水斗在機組運行過程中的應力水平和應力變化情況；隨著機組容量和設計水頭的日益增加，沖擊式水輪機水斗的設計難度越來越大，這種分析方法已經(jīng)不能滿足當前設計需求。

【發(fā)明內容】

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[0005]本發(fā)明提供了一種沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法。利用流體計算軟件分析水斗周圍流場的壓力分布，提取水斗過流表面動態(tài)壓力場數(shù)據(jù)，編寫程序進行數(shù)據(jù)轉換，生成水斗結構分析壓力載荷文件并加以修正，循環(huán)加載求解，繪制水斗動態(tài)應力變化曲線。該方法的優(yōu)點是:以壓力場數(shù)據(jù)作為結構分析載荷，并考慮了壓力場載荷的修正，計算精度較高。利用該方法可以得到?jīng)_擊式水輪機運行過程中，水斗的應力隨時間的變化情況，對掌握水斗工作受力狀態(tài)以及評估水斗的動應力和靜應力水平具有重要意義。本技術方案的技術方案為:
[0006]I)運用商業(yè)軟件建立沖擊式水輪機水斗周圍流體的數(shù)學模型，設置計算域的計算方程和邊界條件等計算參數(shù)，求解并提取水斗過流表面的動態(tài)壓力場數(shù)據(jù)；
[0007]2)運用商業(yè)軟件建立沖擊式水輪機水斗結構的有限元模型，在水斗連接螺栓分布圓施加固定約束，對水斗轉動中心施加轉速載荷；
[0008]3)編寫數(shù)據(jù)轉換程序，利用流體壓力場數(shù)據(jù)獲得水斗動態(tài)應力分析壓力載荷文件；
[0009]4)在水斗過流表面循環(huán)加載不同時刻單個水斗表面壓力載荷文件并求解，提取結果文件，繪制單個水斗力矩曲線；
[0010]5)對水斗壓力載荷進行修正，修正系數(shù)計算公式如下:
[0011]Kp= Nr/Nc
[0012]Nc= N0XZbXZp
[0013]N0= M0X ω
[0014]ω = 2 JT Xnr/60
[0015]M0= A0/360
[0016]式中Kp為壓力載荷修正系數(shù)；
[0017]Nr為額定出力；
[0018]N。為計算出力；
[0019]N。為單個水斗出力；
[0020]Zb為水斗數(shù)；
[0021]Zp為噴管數(shù)；
[0022]ω為角速度；
[0023]nr為額定轉速；
[0024]Mtl為單個水斗平均力矩；
[0025]Atl為單個水斗力矩曲線積分。
[0026]6)在水斗過流表面循環(huán)加載不同時刻全部水斗表面壓力載荷文件并求解，提取結果文件，繪制水斗應力隨時間變化的曲線，上述步驟即為沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法。
[0027]技術效果:
[0028]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0029]現(xiàn)有的沖擊式水輪機水斗應力分析方法，只采用簡化的射流力載荷作為水斗應力分析有限元模型載荷，計算精度較差；分析方法簡單，不能精確描述水斗在機組運行過程中的應力水平和應力變化情況；隨著機組容量和設計水頭的日益增加，沖擊式水輪機水斗的設計難度越來越大，這種分析方法已經(jīng)不能滿足當前設計需求。
[0030]本發(fā)明利用流體計算軟件分析水斗周圍流場的壓力分布，提取水斗過流表面動態(tài)壓力場數(shù)據(jù)，編寫程序進行數(shù)據(jù)轉換，生成水斗結構分析壓力載荷文件并加以修正，循環(huán)加載求解，繪制水斗動態(tài)應力變化曲線。該方法的優(yōu)點是:以壓力場數(shù)據(jù)作為結構分析載荷，并考慮了壓力場載荷的修正，計算精度較高。利用該方法可以得到?jīng)_擊式水輪機運行過程中，水斗的應力隨時間的變化情況，對掌握水斗工作受力狀態(tài)以及評估水斗的動應力和靜應力水平具有重要意義。
【附圖說明】
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[0031]圖1為沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法流程圖；
[0032]圖2為沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析程序流程圖；
[0033]圖3為沖擊式水輪機轉輪軸向視圖；
[0034]圖4為沖擊式水輪機轉輪水斗主視圖；
[0035]圖5為單個水斗力矩曲線；
[0036]圖6為水斗動態(tài)應力變化曲線。
【具體實施方式】
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[0037]如圖1所示，沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法，操作步驟如下:
[0038]I)運用商業(yè)軟件建立沖擊式水輪機水斗周圍流體的數(shù)學模型，設置計算域的計算方程和邊界條件等計算參數(shù)，求解并提取水斗過流表面的動態(tài)壓力場數(shù)據(jù)；
[0039]2)運用商業(yè)軟件建立沖擊式水輪機水斗結構的有限元模型，在水斗連接螺栓分布圓施加固定約束，對水斗轉動中心施加轉速載荷；
[0040]3)編寫數(shù)據(jù)轉換程序，利用流體壓力場數(shù)據(jù)獲得水斗動態(tài)應力分析壓力載荷文件；
[0041]4)在水斗過流表面循環(huán)加載不同時刻單個水斗表面壓力載荷文件并求解，提取結果文件，繪制單個水斗力矩曲線；
[0042]5)對水斗壓力載荷進行修正，修正系數(shù)計算公式如下:
[0043]Kp= Nr/Nc
[0044]Nc= N0XZbXZp
[0045]N0= M0X ω
[0046]ω = 2 JT Xnr/60
[0047]M0= A0/360
[0048]式中Kp為壓力載荷修正系數(shù)；
[0049]Nr為額定出力；
[0050]N。為計算出力；
[0051]N。為單個水斗出力；
[0052]Zb為水斗數(shù)；
[0053]Z1^噴管數(shù)；
[0054]ω為角速度；
[0055]nr為額定轉速；
[0056]Mtl為單個水斗平均力矩；
[0057]Atl為單個水斗力矩曲線積分。
[0058]6)在水斗過流表面循環(huán)加載不同時刻全部水斗表面壓力載荷文件并求解，提取結果文件，繪制水斗應力隨時間變化的曲線，上述步驟即為沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法。
[0059]如圖2所示，沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析程序流程圖，編寫數(shù)據(jù)轉換程序，利用流體壓力場數(shù)據(jù)獲得水斗動態(tài)應力分析壓力載荷文件。
[0060]如圖3所示，沖擊式水輪機轉輪軸向視圖，在水斗連接螺栓分布圓施加固定約束，對水斗轉動中心施加轉速載荷，在水斗過流表面施加壓力場載荷。
[0061]如圖4所示，沖擊式水輪機轉輪水斗主視圖，在水斗過流表面施加壓力場載荷。
[0062]如圖5所示，單個水斗力矩曲線，通過對曲線積分，并利用機組參數(shù)計算壓力場載荷修正系數(shù)。
[0063]如圖6所示，水斗動態(tài)應力變化曲線，利用曲線數(shù)據(jù)評估機組運行過程中水斗的動應力和靜應力水平。
【主權項】
1.一種沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法，其特征是:該操 作步驟如下: 1)運用商業(yè)軟件建立沖擊式水輪機水斗周圍流體的數(shù)學模型，設置計算域的計算方程和邊界條件等計算參數(shù)，求解并提取水斗過流表面(3)的動態(tài)壓力場數(shù)據(jù)； 2)運用商業(yè)軟件建立沖擊式水輪機水斗結構的有限元模型，在水斗連接螺栓分布圓(I)施加固定約束，對水斗轉動中心(2)施加轉速載荷； 3)編寫數(shù)據(jù)轉換程序，利用流體壓力場數(shù)據(jù)獲得水斗動態(tài)應力分析壓力載荷文件； 4)在水斗過流表面(3)循環(huán)加載不同時刻單個水斗表面壓力載荷文件并求解，提取結果文件，繪制單個水斗力矩曲線； 5)對水斗壓力載荷進行修正，修正系數(shù)計算公式如下: Kp=Nr/Nc Nc=N0XZbXZp N0 = M ο X ω ω = 2 π Xnr/60 M0= A0/360 式中Kp為壓力載荷修正系數(shù)； Nr為額定出力； N。為計算出力； N。為單個水斗出力； Zb為水斗數(shù)； ZpS噴管數(shù)； ω為角速度； Il1?為額定轉速； Mtl為單個水斗平均力矩； Atl為單個水斗力矩曲線積分； 6)在水斗過流表面(3)循環(huán)加載不同時刻全部水斗表面壓力載荷文件并求解，提取結果文件，繪制水斗應力隨時間變化的曲線，上述步驟即為沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種沖擊式水輪機水斗動態(tài)應力分析方法。利用流體計算軟件分析水斗周圍流場的壓力分布，提取水斗過流表面動態(tài)壓力場數(shù)據(jù)，編寫程序進行數(shù)據(jù)轉換，生成水斗結構分析壓力載荷文件并加以修正，循環(huán)加載求解，繪制水斗動態(tài)應力變化曲線。該方法的優(yōu)點是：以壓力場數(shù)據(jù)作為結構分析載荷，并考慮了壓力場載荷的修正，計算精度較高。利用該方法可以得到?jīng)_擊式水輪機運行過程中，水斗的應力隨時間的變化情況，對掌握水斗工作受力狀態(tài)以及評估水斗的動應力和靜應力水平具有重要意義。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104636549
【申請?zhí)枴緾N201510056000
【發(fā)明人】劉晶石, 姜鐵良, 賈偉, 田超, 王玨, 呂桂萍, 鐘蘇
【申請人】哈爾濱電機廠有限責任公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年2月3日