潮流机组骨架式水轮机叶片刚强度分析

《潮流机组骨架式水轮机叶片刚强度分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、潮流机组骨架式水轮机叶片刚强度分析【摘要】潮流机组依靠海洋潮流流动作为驱动，因此，潮流机组水轮机的叶片的作用十分重要，要使机组正常运行，就要使水轮机叶片能够承受各种工况的潮流水推力，不会发生强度破坏，同时，必须有足够的刚度抑制叶片的大变形导致的与机组其他部件的相刮碰。采用钢骨架形式的潮流机组叶片，同时也要抵御海水流动引起的质量效应。因此，对潮流叶片的有限元分析就成为非常重要的设计参考和考核手段。本文对骨架式水轮机叶片进行强度分析，从而得到骨架的整体变形和综合应力分布，为进一步进行设计和优化提供参考。【关键词】叶片;

2、复合材料;刚强度1、引言随着中国经济的快速发展，可再生能源的利用已提升到国家战略的高度。根据初步分析判断，要实现非化右能源（可再生能源）消费比重达15%的目标，到2020年我国水电装机要达到3亿千瓦以上，核电投运装机达到6000万千瓦至7000万千瓦以上，风电、太阳能及其他可再生能源利用量达到1.5亿吨标准煤以上。专家预测，到2020年，能源需求总量可能高达45亿吨标煤，这意味着新能源领域必须加大投入，才能确保消费比重稳定提升。中国的可再生能源中，海洋能储量丰富，中国海岸线长18,000km,共有岛屿6500个，海

3、域面积47000km2o其中潮流能具有相当规模。中国海洋局、水电部1985-1989年调查统计结果显示，我国沿海可开发的潮流水道130条，功率总计犬约1395万kW。合理利用、开发潮流能对中国经济发展有深远的意义。2、潮流机组水轮机叶片结构形式潮流机组由于潮流流速特点，水轮机叶片的过水面积很大，因此，在这里采用骨架式结构，骨架式叶片采用外部利用复合材料来描述叶片的外形來满足流场的要求，该结构可以有效的降低叶片重量，同时，利用钢制的骨架，提高叶片整体结构的刚度，不至于发生很大变形影响流场效率。如图1T及图1-2所示，

4、在水轮机叶片屮布置一个主梁，主梁的外表面包络在叶片的三维外轮廓中，按照水轮机结构的刚度耍求，沿着主梁的方向,添加钢制的筋板。3、叶片有限元模型3.1结构有限元基本原理1）根据虚功原理，可以建立结构节点力与单元位移的函数关系：{F}e二[K]e{5}e其中，{F}e为单元节点力矩阵，[K]e为单元刚度矩阵，{§}e为单元节点位移矩阵;2）按静力等效原则把每个单元所受的载荷方向节点位移，并且求和，从而得到结构的等效节点载荷矩阵{Fp};3）根据每一个节点的相关单元组集合成结构的总体刚度矩阵[K],并建立整体结构的平衡方

5、程:{F}=[K]{5}.该方程的个数等于结构的自由度数量，引入结构的约束后，便可以求解出线性方程组的节点位移{5},根据已知的节点的位移，就可以求解出各个单元的应力。3・2有限元模型描述在有限元分析软件ansys中建立叶片的有限元模型，由于叶片采用复合材料结构来实现流体特性，因此，在anays中，根据复合材料实际的力学特性，利用复合材料单元进行模拟。根据设计的复合材料的层间结构特性，复合材料的铺层布置为如图3-3所显示，布置成90。垂直相邻形式，以保证在两个方向都具有足够的刚度。4、有限元分析在正常工况下，将在流

6、场中计算得到的叶片的压力分布，施加在叶片的表面（迎水面及背水面都冇压力分布）。叶片连接轮毂位置，施加全约束。考虑转速，重力及流体浮力情况下，计算出叶片整体的变形图及应力分布结果。经过计算，在水推力的作用下，水轮机叶片的最大变形量为13.4mm,加强筋位置的最大综合应力为49.4MPa,主筋位置的最大综合应力为30.6MPao山此可见，该形式的潮流叶片形式金属骨架的综合应力水平比较低，具有足够的强度安全系数，因此，计算出叶片的变形量，就作为最重要的考核项冃。同样，也可以降低钢板的厚度，也可以适当降低材料的屈服极限，以

7、减少成本，但同时，还要进行更进一步的周密的计算。5、结语本文以一种潮流机组的骨架形式叶片，进行有限元计算，计算中，考虑了某种工况下的水压力载荷的分布，同时考虑了转速、重力加速度等载荷。对于计算出来的结果，可以为以后的分析提供参考，为下一步的设计提供优化的依据。