一种冲击式水轮机转轮快速造型方法与流程

本发明属于水轮机，特别涉及一种冲击式水轮机转轮快速造型方法。

背景技术：

1、水斗式转轮是冲击式水轮机的核心部件，一个合格的转轮必须同时满足三个条件水力、应力和固有频率，也就是说一个合格的转轮必须具有较高的水力效率、较低的静应力和动应力以及其固有频率完全避开其激振频率。

2、目前冲击式水轮机转轮开发流程见图4，冲击式水轮机转轮水力开发完成后，需进一步进行结构设计，结构设计既需要降低转轮应力，还需进行错频设计。在此过程中，降低应力需要考虑转轮根部多个复杂曲面的造型，错频设计需要考虑转轮背部曲面的多次造型优化。转轮根部及背面高阶曲面的优化设计都涉及大量复杂曲线与曲面的优化调整及多次迭代，往往会出现三条件中满足其二，但第三很难满足；工作难度大，且非常耗时，从而导致冲击式转轮开发周期较长。

技术实现思路

1、为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种冲击式水轮机转轮快速造型方法。

2、本发明所采用的技术方案为：

3、一种冲击式水轮机转轮快速造型方法，包括以下步骤：

4、根据电站参数，通过对比、选型确定水斗式转轮主要参数及模型与真机比值；

5、建立冲击式水轮机模型转轮及周围流体的三维模型，设置计算域的计算方程和边界条件等计算参数；

6、提取转轮表面气液两项分布云图，并根据气液两项分布云图将水斗正面和背面均划分有水区域和无水区域；

7、将无水区域均再划分为过渡区和根部；

8、对根部进行减应力复杂曲面的造型，以满足应力要求；对有水区域进行水斗叶型的优化，以满足效率要求；

9、将有水区域与根部用过渡区桥接，形成拼接水斗整体；

10、优化过渡区使水斗固有频率与激振频率完全避开。

11、本发明根据电站参数，通过对比、选型确定水斗式转轮主要参数及模型与真机比值；运用商业软件建立冲击式水轮机模型转轮及周围流体的三维模型，设置计算域的计算方程和边界条件等计算参数；提取转轮表面气液两项分布云图，并根据气液两项分布云图将水斗正面和背面均划分有水区域和无水区域；将无水区域再一次划分为过渡区和根部；对根部进行减应力复杂曲面的造型，使其应力满足要求，对有水区域进行水斗叶型的优化，使其效率满足要求；将有水区域与根部用过渡区桥接，形成拼接转轮整体；优化过渡区使水斗固有频率与激振频率完全避开。

12、本发明并根据气液两项分布云图将水斗正面和背面均划分有水区域和无水区域，将无水区域均再划分为过渡区和根部，有水区的改动对水力效率影响较为敏感，无水区对水力效率不敏感，则只需对有水区域进行水斗叶型的优化以满足效率要求，仅需对根部进行减应力复杂曲面的造型以满足应力要求。进行有水区域的结构设计和根部的水力设计后，仅需调整过渡段即可使整个水斗固有频率与激振频率完全避开。

13、由于过渡区属于无水区，所以对过渡区的优化调整不会影响水斗的水力效率。同时，相比于根部，过渡区又属于低应力区，过渡区曲面的曲率变化对水斗整体的应力水平不会产生较大影响。

14、虽然过渡区不影响水斗的效率和应力水平，但是过渡区连接了有水区域和根部，其正面和背面的曲率会影响水斗的整体质量和刚度。而水斗的固有频率与水斗质量、刚度密切相关，所以通过优化调整过渡区正背面曲率就可以调整水斗的固有频率。水斗的激励频率只与机组参数相关，当机组参数确定后，激励频率就不会发生变化，因此调整过渡段即可使整个水斗固有频率与激振频率完全避开。

15、本发明将水斗正面和背面均划分有水区域和无水区域，将无水区域均再划分为过渡区和根部，从而对有水区域进行水斗叶型的优化和对根部进行减应力复杂曲面的造型以满足应力要求可同时进行，并且优化过渡区使水斗固有频率与激振频率完全避开时不会对有水区域的结构设计和根部的水力设计造成影响。

16、本发明将水斗开发流程由串行研发设计变为并行研发设计，减少不同工序之间相互等待时间，为缩短研发设计周期提供必要条件。本发明将转轮必须满足的三个要素进行人为分离，有效避免各要素之间的相互耦合及影响，降低开发难度，为缩短研发设计周期提供另一必要条件。

17、作为本发明的优选方案，将无水区域均再划分为过渡区和根部时，在水斗正面，过渡区占无水区域的20％～30％。

18、作为本发明的优选方案，将无水区域均再划分为过渡区和根部时，在水斗背面，过渡区占无水区域的30％～40％。

19、作为本发明的优选方案，将过渡区与根部的分界线和过渡区与有水区域的分界线平行。

20、作为本发明的优选方案，对根部进行减应力复杂曲面的造型时，依次进行以下步骤：

21、建立冲击式水斗有限元模型；

22、施加边界条件和载荷；

23、有限元求解并提供应力结果；

24、循环进行：调节影响根部应力的参数；

25、确定根部最优结构方案。

26、作为本发明的优选方案，优化过渡区时，首先提取水斗正面和背面上有水区域和过渡区、过渡区和根部的4条分界线，在分界线上添加助点，通过桥接曲线的方式将辅助点连接，通过曲线网格构建水斗过渡区正面和背面，再通过缝合方式将水斗过渡区正背面缝合成新的过渡区；通过改变桥接曲线开始点与结束点的相切幅值，改变过渡区正面和背面曲率的变化，以改变水斗固有频率。

27、本发明的有益效果为：

28、本发明将水斗开发流程由串行研发设计变为并行研发设计，减少不同工序之间相互等待时间，为缩短研发设计周期提供必要条件。本发明将转轮必须满足的三个要素进行人为分离，有效避免各要素之间的相互耦合及影响，降低开发难度，为缩短研发设计周期提供另一必要条件。

技术特征：

1.一种冲击式水轮机转轮快速造型方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮快速造型方法，其特征在于：将无水区域均再划分为过渡区和根部时，在水斗正面，过渡区占无水区域的20％～30％。

3.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮快速造型方法，其特征在于：将无水区域均再划分为过渡区和根部时，在水斗背面，过渡区占无水区域的30％～40％。

4.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮快速造型方法，其特征在于：过渡区与根部的分界线和过渡区与有水区域的分界线平行。

5.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮快速造型方法，其特征在于：对根部进行减应力复杂曲面的造型时，依次进行以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮快速造型方法，其特征在于：优化过渡区时，首先提取水斗正面和背面上有水区域和过渡区、过渡区和根部的4条分界线，在分界线上添加助点，通过桥接曲线的方式将辅助点连接，通过曲线网格构建水斗过渡区正面和背面，再通过缝合方式将水斗过渡区正背面缝合成新的过渡区；通过改变桥接曲线开始点与结束点的相切幅值，改变过渡区正面和背面曲率的变化，以改变水斗固有频率。

技术总结
本发明属于水轮机技术领域，特别涉及一种冲击式水轮机转轮快速造型方法。本发明的方法包括以下步骤：根据电站参数，通过对比、选型确定水斗式转轮主要参数及模型与真机比值；建立冲击式水轮机模型转轮及周围流体的三维模型，设置计算域的计算方程和边界条件；提取转轮表面气液两项分布云图，根据气液两项分布云图将水斗正面和背面均划分有水区域和无水区域；将无水区域均再划分为过渡区和根部；对根部进行减应力复杂曲面的造型以满足应力要求；对有水区域进行水斗叶型的优化以满足效率要求；将有水区域与根部用过渡区桥接，形成拼接水斗整体；优化过渡区使水斗固有频率与激振频率完全避开。本发明提供了一种冲击式水轮机转轮快速造型方法。

技术研发人员：吕博儒,宋敏,凡家异,熊建军,曾明富,周恒特,刘辉,熊欣,程猛,周俊鹏,刘礼政
受保护的技术使用者：东方电气集团东方电机有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12