冲击式水轮机转轮设计及制造关键技术的研究

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1、工学博士学位论文冲击式水轮机转轮设计及制造关键技术的研究王波哈尔滨理工大学2015年6月国内图书分类号：TP319工学博士学位论文冲击式水轮机转轮设计及制造关键技术的研究博士研究生：王波导师：刘献礼申请学位级别：工学博士学科、专业：机械制造及其自动化所在单位：机械动力工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex:TP319DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringResearchonKeyTechnologyofPeltonTurbineRunnerDesignand

2、ManufactureCandidate:WangBoSupervisor:LiuXianliAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:MechanicalManufactureandAutomationDateofOralExamination:Jun,2015University:HarbinUniversityofScienceandTechnology哈尔滨理工大学博±学位论文原创性声明本人郑宝卢明：此处所提义的博±学位论文《冲山式水轮机转轮设计及制造关键技术的研究－）），足

3、本人在导师指导下，巧哈尔滨巧Ｉ；乂学攻读搏ｉ学位期间独立进行祈巧］：作所取得的成果，扼本人所知，论文中除ｄ化明部分外不包含他人ｄ发表或撰写过的研巧成果。对本文研究工作做出巧献的个人和集作，均己巧文明确方式注巧。本卢明的法律结巧将完全由本人承巧。作巧签名：１：波Ｕ巧＿：２０１５６ｊ年月３０Ｕ哈尔滨理工大学博±学位论文使用授权书《冲击式水轮机转轮设汁及制造关键技术的研究》系本人在哈尔滨理Ｔ－人学攻读陆ｉ：学位期间在哥师指哥下完成的博±学位论文。木论文的研巧成果归哈尔滨巧Ｉ；人学所有，本论文的研巧内容不得臥巧它单位的名义发表。

4、本人完全了解哈尔滨理Ｉ；大学乂于保存、化用学位论义的规山，巧意学校巧巧并Ｎ々关部ｎ捉父论文和电子版本，允许论文被巧院ｊ和借阅。本人授权哈尔滨观工大学可Ｗ采用獻印、缩印或其他Ｕ制乎段保巧论义，可＾处公布论文的全部或部分内界。本学化论义属十保密，□化年解巧后巧川授权书。不化斯巧。（诘巧助ｈ相应方听；内打、）＇作者签名：亡波３私Ｕ朋：２０１５年６３０Ｕ导帅雜名：刘献化Ｕ期：２０１５年６Ｕ３０Ｕ摘要摘要水电能源行业在国家战略性新兴产业发展规划中占有重要地位，高水头水力发电必须采用冲击式水轮机组，其中的关键部件水

5、斗转轮的设计及整体数控加工技术目前在我国上尚不完善，其存在的问题如下：如何在保证水斗水力性能的前提下实现水斗的整体数控加工；如何进行水斗插铣加工稳定性预测进而优化铣削参数；如何解决水斗插铣过程超长刀柄（长径比最高可达1:20）的加工颤振问题进而提高水斗加工效率和质量，本文针对这些问题开展了如下研究。为实现面向制造的水斗结构优化，针对斗型线与射流相互作用展开了基于CFD（计算流体动力学）的数值模拟分析，优化了水斗的水力性能。同时，也展开了水斗型面及水斗根部曲率均匀度、斗根深度和斗根厚度的结构优化设计，使得水斗设计即满足水力性能和强度特性，同时又能具有较好的数控加

6、工工艺性。通过全部水斗根部结构优化，水斗综合应力、交变应力都有了大幅度降低。针对水斗插铣加工时刀具长径比大易产生切削振动问题，进行了切削力预报及切削动力学方面的研究。基于切削原理建立了插铣切削力预测模型，通过与有限元分析结果比对和实际切削验证，该模型具有较高的预测精度；基于振动理论建立了插铣加工颤振三维稳定域方程，得到了影响水斗插铣加工过程各因素对加工稳定性的影响规律，上述工作为水斗的插铣加工工艺的优化提供了手段。根据水斗结构和插铣加工工艺性特点，建立了刀柄振动解析模型，采用有限元方法研究了刀柄几何结构参数、带孔及锥柄结构、刀柄材料等因素对刀柄变形和振动影响规

7、律，研制了新型结构的抑振刀柄，经实际切削加工应用证明该刀柄具有较好的抑振效果，此项工作对大长径比切削加工及其刀具设计有重要的指导意义。通过对水斗插铣过程中切削厚度的解析计算，从加工效率优先的角度实现了转轮数控加工的区域规划。针对冲击式水轮机转轮在整体加工过程中的关键工艺问题提出了优化的解决方案。实际加工效果表明，采用此工艺加工出的水斗质量和效率都处于领先水平，此研究结果可为整体转轮数控加工产业化提供了重要的技术支撑。通过综合考虑水斗转轮的设计与制造的关键问题，集成研究成果形成了-I-哈尔滨理工大学工学博士学位论文具有自主知识产权的新工艺，为我国水轮机组整体转轮

8、的高效高品质数控加工提供了理论指导及实