一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法与流程

本发明涉及冲击式水轮机，特别是涉及一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法。

背景技术：

1、转轮水斗是冲击式水轮机的核心部件，负责将水体的重力势能转换为机械能，其在运行过程中承受来自直流喷管的冲击力，该冲击力具有高频交变特性，导致转轮水斗存在疲劳破坏和缺陷裂纹扩展的风险。为了保证机组安全稳定运行，防止转轮水斗疲劳破坏和缺陷裂纹扩展，需要设定用于探伤检测的缺陷容许限值。现有的缺陷容许限值通常根据有关检测标准来确定，标准中的限值数值与缺陷所在位置应力水平是不相关的，导致不危害转轮水斗安全稳定运行的缺陷也被强制要求修复处理，直至满足标准缺陷容许限值要求。这种不精确的缺陷容许限值确定方法和不科学的缺陷处理要求，导致转轮水斗生产制造周期延长、人工和材料成本增加以及缺陷修复风险增高等一系列问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，能够根据实际受力状态，确定满足安全稳定性要求的冲击式转轮水斗缺陷容许限值，解决转轮水斗探伤检查时缺陷限值设定依据不充分和盲目修复带来的生产制造周期延长、人工和材料成本增加以及缺陷修复风险增高等一系列问题。

2、本发明是通过采用下述技术方案实现的：

3、一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、根据转轮水斗不同区域重要性和材料工艺差别，将转轮水斗划分为不同分区，分别为切水刃、焊接面、分水刃根部、水斗主体和轮毂等分区；

5、步骤s2、根据步骤s1中划分不同分区的安全等级差异，分别为各分区定义许用安全系数；

6、步骤s3、基于流固耦合方法计算转轮水斗动态应力；

7、步骤s4、定义由不同裂纹深度和不同裂纹长度组成的裂纹尺寸矩阵；

8、步骤s5、根据步骤s3中获得的动态应力计算结果，基于断裂力学方法计算缺陷裂纹应力强度因子；

9、步骤s6、根据步骤s5中获得的应力强度因子计算结果，计算转轮水斗各分区缺陷裂纹不扩展安全系数；

10、步骤s7、利用步骤s6中获得的裂纹不扩展安全系数和步骤s2中定义的许用安全系数作为判定条件，确定保证裂纹不扩展的缺陷容许限值。

11、根据转轮水斗不同区域重要性和材料工艺差别，即转轮水斗各部位应力水平差异，以及各部位属于锻件和焊材的差异，将转轮水斗划分为不同分区zi。

12、根据步骤s1中划分不同分区的应力水平高低、金属材料属性差别以及实际发生破坏情况，确定不同的安全等级，并分别为各个分区定义许用安全系数[ni]。

13、建立转轮水斗流体和固体结构数值模拟模型，定义合理的边界条件和载荷，完成转轮水斗流固耦合应力求解，通过快速傅里叶变换求解动态应力σi。

14、综合考虑缺陷形状、缺陷方向、缺陷检测、缺陷修复等因素，确定表征影响安全性的缺陷关键参数，定义由不同裂纹深度bj和不同裂纹长度aj组成的裂纹尺寸矩阵[bj,aj]。

15、根据步骤s3中获得的动态应力计算结果，基于断裂力学方法计算缺陷裂纹应力强度因子kiij，简化的计算公式为：

16、

17、其中，kiij为裂纹应力强度因子，σi为转轮水斗动态应力，bj为裂纹深度，aj为裂纹长度。

18、根据步骤s5中获得的应力强度因子计算结果，计算转轮水斗各分区缺陷裂纹不扩展安全系数ni，计算公式为：

19、ni＝δkth/kiij

20、其中，ni为裂纹不扩展安全系数，kiij为裂纹应力强度因子，δkth为裂纹扩展门槛值。

21、利用步骤s6中获得的裂纹不扩展安全系数和步骤s2中定义的许用安全系数作为判定条件，即ni≥[ni]，确定保证裂纹不扩展的缺陷容许限值[bi]和[ai]。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、1.本发明根据转轮水斗不同区域重要性和材料工艺差别，将转轮水斗划分为不同分区，进一步根据划分不同分区的安全等级差异，分别为各分区定义许用安全系数，该做法更加符合工程实际需求，能避免盲目统一的缺陷检测限值。

24、2.基于流固耦合方法计算转轮水斗动态应力，定义由不同裂纹深度和不同裂纹长度组成的裂纹尺寸矩阵，根据获得的动态应力计算结果，基于断裂力学方法计算缺陷裂纹应力强度因子，该方法能够有效提高受力状态计算准确性。

25、3.根据获得的应力强度因子计算结果，计算转轮水斗各分区缺陷裂纹不扩展安全系数，利用获得的裂纹不扩展安全系数和定义的许用安全系数作为判定条件，确定保证裂纹不扩展的缺陷容许限值，创新实现了受力状态与缺陷容许限值的相互关联，在保证安全性的同时，能够显著降低非必要的缺陷返修工作量，进而显著节约成本和时间。

技术特征：

1.一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，其特征包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，其特征在于：根据转轮水斗不同区域重要性和材料工艺差别，即转轮水斗各部位应力水平差异，以及各部位属于锻件和焊材的差异，将转轮水斗划分为不同分区zi。

3.根据权利要求2所述的一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，其特征在于：根据步骤s1中划分不同分区的应力水平高低、金属材料属性差别以及实际发生破坏情况，确定不同的安全等级，并分别为各个分区定义许用安全系数[ni]。

4.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，其特征在于：建立转轮水斗流体和固体结构数值模拟模型，定义合理的边界条件和载荷，完成转轮水斗流固耦合应力求解，通过快速傅里叶变换求解动态应力σi。

5.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，其特征在于：综合考虑缺陷形状、缺陷方向、缺陷检测、缺陷修复因素，确定表征影响安全性的缺陷关键参数，定义由不同裂纹深度bj和不同裂纹长度aj组成的裂纹尺寸矩阵[bj,aj]。

6.根据权利要求4所述的一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，其特征在于：根据步骤s3中获得的动态应力计算结果，基于断裂力学方法计算缺陷裂纹应力强度因子kiij，简化的计算公式为：

7.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，其特征在于：根据步骤s5中获得的应力强度因子计算结果，计算转轮水斗各分区缺陷裂纹不扩展安全系数ni，计算公式为：

8.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，其特征在于：利用步骤s6中获得的裂纹不扩展安全系数和步骤s2中定义的许用安全系数作为判定条件，即ni≥[ni]，确定保证裂纹不扩展的缺陷容许限值[b]和[a]。

技术总结
本发明涉及冲击式水轮机技术领域，特别涉及一种冲击式水轮机转轮水斗缺陷容许限值确定方法，将转轮水斗划分为不同分区，根据划分不同分区的安全等级差异，分别为各分区定义许用安全系数；根据获得的动态应力计算结果，基于断裂力学方法计算缺陷裂纹应力强度因子；根据获得的应力强度因子计算结果，计算转轮水斗各分区缺陷裂纹不扩展安全系数；利用获得的裂纹不扩展安全系数和定义的许用安全系数作为判定条件，确定保证裂纹不扩展的缺陷容许限值。通过本发明能够根据实际受力状态，确定满足安全稳定性要求的冲击式转轮水斗缺陷容许限值，解决转轮水斗探伤检查时缺陷限值设定依据不充分和盲目修复带来的成本浪费的问题。

技术研发人员：柏沁,刘晶石,郭连恒,贾伟,邓飞远,陈光辉,郑佰强,姜铁良,李永恒,于斐婷
受保护的技术使用者：西藏大唐扎拉水电开发有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/18