混流式水轮机顶盖的强度计算与研究

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1、混流式水轮机顶盖的强度计算与研究刘忠，宋文武，符杰（西华大学能源与环境学院，成都610039）摘要：以混流式水轮机顶盖为研究对象，应用ANSYS有限元分析软件，进行其结构设计分析、受力分析与计算，建立了顶盖的结构三维模型，施加受力后，进行了顶盖的应力与应变等计算。从计算结果可知，其结构设计可靠，能充分保证整个水轮机的可靠性和寿命。关键词：水轮机顶盖；ANSYS；强度计算中图分类号：TK730.2文献标志码：A文章编号：1005－7676（2012）03－0025－04StrengthAnalysisandResearchofFrancisTurbineCoverLIUZhong,

2、SONGWen-wu,FUJie（SchoolofEnergyandEnvironment,XihuaUniversity,Chengdu610039,China）Abstract:Tocoverforthefrancisturbinestudy,applicationofANSYSfiniteelementanalysissoftware,structuredesignandanalysis,forceanalysisandcalculationwerecarriedout,athree-dimensionalmodelstructureoftopcoverwasestabli

3、shed,thestressandstrainwerecalculatedafterimposedbyforce.Thecalculationresultsshowthestructuraldesignisreliable,andcanfullyguaranteethereliabilityandlifeoftheturbine.Keywords:turbinecover;ANSYS;strengthcalculation前应用较多的一种方法。当顶盖与水介质接触时，顶盖的振动必然引起水体压力的波动，这时顶盖的振动分析就成了一个典型的液体和弹性体的耦合振动问题。顶盖流固耦合自振特性

4、分析，对该顶盖而言，其几何建模、有限元离散、材料特性都和在空气介质时一样。根据顶盖的几何形状，利用ANSYS程序完成了水体部分的几何建模和有限元离散。在计算分析中假定水介质为理想不可压缩流体，所有的水体单元分为2类：①未和顶盖相接触的单元，这些单元的结点只有压力自由度；②和顶盖相接触的水体单元，这些单元的结点既有位移自由度，也有压力自由度，从而实现液-固耦合分析。引言顶盖是水轮机中起支撑与过流双重作用的重要部件，其强度、刚度及其可靠性在一定程度上影响着整台机组运行的安全、稳定性。但在其强度、刚度设计中，目前因为大多数水力机组制造厂家仍沿用传统的安全系数法，而该方法没有把机械可靠性

5、的理念引入到设计中，忽略了顶盖工作过程中许多不确定的因素，不能准确反映该部件工作中的可靠程度和寿命，因而已不能满足科技发展的要求。针对水轮机顶盖的机械可靠性问题，应用AN-SYS有限元分析程序进行顶盖的刚强度计算，是目投稿时间：2012-02-06基金项目：四川省流体机械及工程重点实验室项目（SBZDPY-11-8）作者简介：刘忠（1957-），男，成都人，实验员，西华大学，能源与环境学院，主要从事流体机械及工程的实验教学与研究工作。能源研究与管理2012(3)研究与探讨·26·本文针对四川省某水电站混流式水轮机的结构设计要求，具体进行了其结构设计分析，并进行了顶盖的受力分析与计

6、算，建立了顶盖的结构三维模型，施加受力后，进行了顶盖的应力与应变等的计算。从计算结果来看，其结构设计是可靠的，能充分保证整个水轮机的可靠性和寿命。1混流式水轮机顶盖结构设计与三维建模本文以某水电站混流式水轮机为例，首先进行了该水轮机的顶盖结构设计与分析，再在结构设计的基础上进行顶盖的三维建模设计。该混流式水轮机的具体设计参数见表1。表1某混流式水轮机设计参数转轮进口直径D1/mm转轮出口直径D2/mm水轮机俯视的旋转方向最大飞逸转速/(r·min-1)水轮机型号最大水头/m额定水头/m最小水头/m额定出力/MW额定转速/(r·min-1)HLA855-LJ-15515501461

7、.3顺时针103.59088.212.45428.6842.8当发电机功率因数为0.8，发电机的额定功率为12MW时，对应额定净水头及额定出力时的水轮机效率/%当发电机功率因数为0.85，发电机的最大功率为15.53MVA时，对应的流量/(m·3s-1)额定水头，发额定出力时的比转速/(m·kW)水轮机安装高程/m额定水头，发最大出力时的比转速/(m·kW)不包括水的水轮机转动部分的GD2/(kN·m2)2052.7595.216.49172.4180.7515额定工况叶片出口相