溫艾軍（成都天翔環(huán)境股份有限公司，四川　成都　610300）

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貫流式水輪機管形座強度與優(yōu)化設(shè)計探討

溫艾軍（成都天翔環(huán)境股份有限公司，四川成都610300）

經(jīng)濟的迅速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的不斷擴大為電力行業(yè)的發(fā)展贏得了良好的發(fā)展機會和廣闊的發(fā)展市場，近年來水力發(fā)電逐漸行興起，水輪發(fā)電機組作為水力發(fā)電的重要設(shè)施在一定程度上直接影響了整個電力的運轉(zhuǎn)，燈泡貫流式水輪發(fā)電機逐漸滲透到電力行業(yè)中，那么加強貫流式水輪機管型座強度分析也就顯得格外重要了。本文對貫流式水輪機管型座強度進行了深入分析，并且進一步探討了優(yōu)化設(shè)計的方案，以供參考。

貫流式水輪機；管形座強度；優(yōu)化設(shè)計

隨著社會的不斷發(fā)展和進步，水電行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)蓬勃趨勢，隨之而來的質(zhì)量安全問題逐漸成為社會關(guān)注的焦點，貫流式水輪機是現(xiàn)代化的機械設(shè)備，在水利發(fā)電中的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢，為發(fā)電的連續(xù)性和安全性提供了良好的保障；在科技大發(fā)展的背景下，貫流式水輪機被得到廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代設(shè)備的需求了，需要跟隨時代的步伐不斷的改進和完善，利用更多的新型技術(shù)和產(chǎn)品進一步的優(yōu)化，從而促進水電行業(yè)的進一步發(fā)展。

1　貫流式水輪機管形座的結(jié)構(gòu)

以某種型號的燈泡貫流式水輪機和發(fā)電機為例對管形座的結(jié)構(gòu)進行分析。該管形座主要是由管形座錐殼、過人孔和斷面法蘭等部分組成，管形座上端與定子機座連接，下端與導(dǎo)水機構(gòu)連接；管形座過人孔的兩端一般是和水電站的混凝土基礎(chǔ)和錐孔連接，這樣使過人孔成為十分堅固的支柱。整體結(jié)構(gòu)上水輪機管形座主要是通過鑄造和焊接兩種方式來進行加工制造的，一般采用左右兩半組焊形成一個完整的圓錐體，然后將其埋入水輪機電機組的電站基礎(chǔ)中，保證與錐殼內(nèi)部的連通性，并且將另一端固定在基礎(chǔ)上。對管形座結(jié)構(gòu)進行分析，利用有限元的分析方法，將管形座的結(jié)構(gòu)進行單元劃分，來對其實際的形狀進行模擬，在這個過程中，管形座的結(jié)構(gòu)對應(yīng)力沒有太大的影響，能夠避免出現(xiàn)管形座結(jié)構(gòu)出現(xiàn)畸形。

2　貫流式水輪機管形座的強度分析

2.1管形座的建模

2.1.1水輪發(fā)電機管形座幾何建模過程

（1）對管形座的外形進行分析，包括直徑的測量、形狀的辨別等，運用Pro/ENGINEER中旋轉(zhuǎn)命令將分析的結(jié)果通過圖形的方式呈現(xiàn)出來，繪制出相同大小、相同形狀的管形座圖形，將平面的圖形通過旋轉(zhuǎn)的方式生成立體的幾何圖形［1］。如圖1所示。

圖1　

（2）Pro/ENGINEER發(fā)出拉伸的命令去除多余的材料，在底蓋上創(chuàng)建第一個通孔，然后Pro/ENGINEER發(fā)出實體陣列的命令，根據(jù)第一個通孔創(chuàng)建其他通孔，如圖2所示。

（3）根據(jù)前視圖的成像情況創(chuàng)建基準(zhǔn)平面圖，并且在基準(zhǔn)平面上繪制過人孔的草圖，Pro/ENGINEER會再次發(fā)出拉伸命令去除多余的材料，最終生成管形座錐殼上的過人孔，如圖3所示。

2.1.2水輪機管形座的參數(shù)化建模

圖2　

圖3　

水輪機管形座的參數(shù)化建模需要借助ANSYS軟件。①在ANSYS軟件新建一個工作文件對參數(shù)的初始值進行設(shè)置，并且對關(guān)鍵點進行創(chuàng)建和確定，然后將這些關(guān)鍵性點進行有效的連接，各點在連接后會形成一個封閉的區(qū)域，也就是所謂的截面；②將截面進行360°的旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)后平面的圖形會轉(zhuǎn)變成立體的圖形，也就形成了基體；之后就是上述所提到了過人孔截面的創(chuàng)建，主要是按照關(guān)鍵點的創(chuàng)建、連線和截面生成的方式創(chuàng)造過人孔截面，并且字過人孔截面形成的過程中需要對截面進行拉伸、對實體進行旋轉(zhuǎn)和分割，將無效的實體刪除，將有效的實體相接，最終建立過人孔的實體模型［2］。

2.2水輪機管形座的靜強度分析

2.2.1管形座的約束

在發(fā)電機組的實際運行中，管形座需要對全自由度進行約束，重要指通過人孔室與基礎(chǔ)進行牢固連接，并且將圓錐體與人孔室焊接在一起，從而達到約束的目的；其次要保證管形座兩端與轉(zhuǎn)輪處于相連的狀態(tài)，并且盡可能的避免出現(xiàn)X，Y，Z任何一個方向的位移情況，所以需要在人孔室和基礎(chǔ)牢固端施加約束，從而限制其自由度［3］。

2.2.2管形座的荷載

管形座的荷載值受到多種因素的影響，包括水輪機錐殼法蘭上的軸向水推力、扭矩、水輪機靜載以及過人孔底面上水壓力等這些情況都是管形座的荷載值應(yīng)該考慮的問題，利用ANSYS軟件對上述值進行計算，具體情況如下：

2.2.3管形座靜強度的計算分析

管形座靜強度的計算主要是利用ANSYS軟件求解應(yīng)力，主要理論依據(jù)為不論在應(yīng)力處于何種狀態(tài)，只要材料的最大剪應(yīng)力與材料性質(zhì)的相關(guān)性達到某一極值時，材料就會呈屈服狀態(tài)，具體為：

式中：J2表示的是應(yīng)力不變量，C代表一個常數(shù)。

分析：根據(jù)上述的計算進行分析發(fā)現(xiàn)靠近管形座椎體與兩側(cè)入孔室的連接處應(yīng)力較為集中，水靜壓力荷載的作用產(chǎn)生了較大的變化；在管形座的上端法蘭處在扭矩和水推力工作作用的影響下產(chǎn)生了應(yīng)力集中的情況［4］。

3　貫流式水輪機管形座的優(yōu)化設(shè)計

3.1優(yōu)化設(shè)計的步驟

（1）需要生成分析文件。分析文件應(yīng)該包含多方面的內(nèi)容，包括參數(shù)模型的建立，求解以及參數(shù)化結(jié)果的提出等，通過這些內(nèi)容生成分析文件，參數(shù)模型的建立主要是對設(shè)計變量進行處理，一般設(shè)計變量可以在程序的任何環(huán)節(jié)進行初始化，而且這些變量在循環(huán)的過程中會產(chǎn)生一定的變化，所以一般在設(shè)計計算的最開始可以使用；求解需要借助求解器來完成有限元的計算，主要用于定義分析類型和分析選項上，然后施加一定荷載并且指定荷載來進行計算，同時還要保證所有分析的數(shù)據(jù)都必須是經(jīng)過制定的，比如說凝聚法分析中的主自由度、非線性分析中的收斂準(zhǔn)則等都是求解必須遵循的；參數(shù)化結(jié)果的提取，由于參數(shù)提出涉及到數(shù)據(jù)的儲存、加減等操作，所以需要需要通過OOST1來完成參數(shù)的提取。

（2）及時建立優(yōu)化過程中的參數(shù)。建立數(shù)據(jù)參數(shù)庫首先需要讀入和分析文件相聯(lián)的數(shù)據(jù)庫文件，根據(jù)分析的情況在ANSYS中建立整個模型的數(shù)據(jù)庫，例如某工程在分析的過程中采用GUI讀取數(shù)據(jù)庫中的文件和信息；然后將讀取和分析的文件直接讀入ANSYS進行整體情況的分析，整個數(shù)據(jù)庫各方面的情況都產(chǎn)生了一定的變化，在某種意義上屬于新建的數(shù)據(jù)庫［5］。

進入優(yōu)化處理器。將上述數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)自動設(shè)置為設(shè)計序列，然后通過優(yōu)化處理器來對這些參數(shù)進行合理的設(shè)計。

聲明優(yōu)化變量。所謂的聲明優(yōu)化變量就是明確指出設(shè)計變量、狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)等各方面的內(nèi)容，一般設(shè)計變量不能超過60個，狀態(tài)變量不能超過100個，目標(biāo)函數(shù)只能為一個，并且對于設(shè)計和狀態(tài)變量可以對最大值和最小值進行定義，但是目標(biāo)函數(shù)一般沒有特定的范圍［6］。

3.2管形座的優(yōu)化數(shù)學(xué)建模

管形座為優(yōu)化數(shù)學(xué)建模是將實際問題通過數(shù)學(xué)方式來描述并且通過數(shù)學(xué)模型來分析，例如在明確管形座設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)之后對有優(yōu)化設(shè)計的問題進行分析，具體情況如下：

將設(shè)計點的結(jié)合用R來表示，對x進行求值，具體為：

管形座的板厚是管形座優(yōu)化設(shè)計的變量，需要根據(jù)設(shè)計的對象需要的功能為依據(jù)來進行約束條件的建立，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，首先要考慮的問題就是管形座結(jié)構(gòu)的強度和剛度，防止管形座出現(xiàn)變形。對管形座設(shè)計的時候要考慮結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力不能超過材料的應(yīng)力。

3.3管形座的優(yōu)化設(shè)計

管形座的優(yōu)化設(shè)計需要利用上述的幾何模型，利用幾何模型對有限元網(wǎng)格進行劃分，在邊界條件中增加位移約束、荷載約束等，并且將這些內(nèi)容提交給ANSYS軟件中的計算模塊來合理計算，計算出結(jié)構(gòu)后進入后續(xù)處理模塊，生成列表后再次進行求和計算，并且將計算的結(jié)果賦給特定的參數(shù)等，通過多環(huán)節(jié)的參與和計算對設(shè)計進行全面的分析，從而達到最優(yōu)化的目的，包括變量的最優(yōu)取值范圍、定義最大優(yōu)化次數(shù)等各方面內(nèi)容［7］。

在管形座優(yōu)化設(shè)計過程中，要注意獲取目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)能夠表示管形座的總體重量，通過目標(biāo)函數(shù)能夠了解管形座的基本總體積。對管形座進行優(yōu)化的流程主要如圖4所示。

圖4　優(yōu)化設(shè)計流程圖

通過對管形座的優(yōu)化設(shè)計，能夠有效的減輕管形座的重量，使產(chǎn)品的研制周期得到縮短，其應(yīng)用前景十分的廣闊，能夠促進水輪發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)的發(fā)展。

4　結(jié)束語

綜上所述，隨著人們生活水平和生活質(zhì)量的提高對電力運行的質(zhì)量和安全提出了更高的要求，近年來電力資源緊張的問題逐漸暴露對人們的生活和社會的發(fā)展造成了嚴重影響，貫流式水輪機作為現(xiàn)代化的設(shè)備在水利發(fā)電中的應(yīng)用也就成為了順應(yīng)社會潮流的必然趨勢，管型座是貫流式水輪機的重要組成部分，對發(fā)電情況起著非常重要的作用，所以需要保證其強度的合理性。筆者提出，貫流式水輪機是一種新型設(shè)備，在設(shè)計上需要進一步的優(yōu)化，在自我探索的同時學(xué)習(xí)國外的先進技術(shù)和豐富經(jīng)驗，然后結(jié)合我國的實際情況進一步的改善，使其在水利發(fā)電中能夠得到廣泛應(yīng)用和普遍推廣。希望通過本文的簡單分析，能夠幫助相關(guān)工作人員更好的開展工作。

［1］高鴻翔，張淑紅.基于ANSYS的貫流式水輪機管形座的強度分析［J］.創(chuàng)新科技，2013，21（7）：77～78.

［2］杭建定，馬振宇.簡易行車安裝燈泡貫流式水輪機管形座［C］.甘肅省水力發(fā)電工程學(xué)會、廣東省水力發(fā)電工程學(xué)會、湖南省水力發(fā)電工程學(xué)會.2010年水電站機電技術(shù)研討會論文集.2010，15（22）：105～106.

［3］李雪琴.三溪口水電站水輪機組管形座安裝［J］.云南水力發(fā)電，2013，12 （5）：69～71，97.

［4］鄧自敏，王春雷，郭宏亮，等.炳靈水電站48MW燈泡貫流式水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.科技創(chuàng)業(yè)家，2013，23（7）：56.

［5］趙亞萍，廖偉麗，李志華，等.C型及S型葉片的貫流式水輪機流場特性［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，19（17）：47～53.

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溫艾軍（1982-），男，漢族，工程師，本科，主要從事機械設(shè)備制造工作。

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2095-2066（2016）19-0027-02

2016-6-1