一种冲击式水轮机水斗动态应力分析方法.pdf

本发明涉及一种冲击式水轮机水斗动态应力分析方法。利用流体计算软件分析水斗周围流场的压力分布，提取水斗过流表面动态压力场数据，编写程序进行数据转换，生成水斗结构分析压力载荷文件并加以修正，循环加载求解，绘制水斗动态应力变化曲线。该方法的优点是：以压力场数据作为结构分析载荷，并考虑了压力场载荷的修正，计算精度较高。利用该方法可以得到冲击式水轮机运行过程中，水斗的应力随时间的变化情况，对掌握水斗工作受力状态以及评估水斗的动应力和静应力水平具有重要意义。

权利要求书
1.  一种冲击式水轮机水斗动态应力分析方法，其特征是：该操
作步骤如下：
1)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗周围流体的数学模型， 设置计算域的计算方程和边界条件等计算参数，求解并提取水斗过流 表面(3)的动态压力场数据；
2)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗结构的有限元模型，在 水斗连接螺栓分布圆(1)施加固定约束，对水斗转动中心(2)施加 转速载荷；
3)编写数据转换程序，利用流体压力场数据获得水斗动态应力 分析压力载荷文件；
4)在水斗过流表面(3)循环加载不同时刻单个水斗表面压力 载荷文件并求解，提取结果文件，绘制单个水斗力矩曲线；
5)对水斗压力载荷进行修正，修正系数计算公式如下：
Kp＝Nr/Nc
Nc＝N0×Zb×Zp
N0＝M0×ω
ω＝2π×nr/60
M0＝A0/360
式中Kp为压力载荷修正系数；
Nr为额定出力；
Nc为计算出力；
N0为单个水斗出力；
Zb为水斗数；
Zp为喷管数；
ω为角速度；
nr为额定转速；
M0为单个水斗平均力矩；
A0为单个水斗力矩曲线积分；
6)在水斗过流表面(3)循环加载不同时刻全部水斗表面压力载 荷文件并求解，提取结果文件，绘制水斗应力随时间变化的曲线，上 述步骤即为冲击式水轮机水斗动态应力分析方法。

说明书一种冲击式水轮机水斗动态应力分析方法
技术领域：
本发明涉及冲击式水轮机水斗动态应力分析方法。
背景技术：
水斗是冲击式水轮机的核心部件，水斗结构复杂且曲面变化剧烈，在 机组运行过程中承受巨大的脉冲载荷，极易发生断斗事故，必须严格控制 水斗的动应力和静应力水平。
目前，在冲击式水轮机水斗应力分析中，通常考虑水轮机额定出力工 况和离心力工况，只采用简化的射流力载荷进行计算，作用在转轮上的射 流力按照一定比例分别施加在相邻的几个水斗上，同时考虑机组转速引起 的离心力载荷以及转轮与主轴连接螺栓的固定约束。利用该方法只能得到 水斗运行过程中的最高应力和最低应力。
这种分析方法的缺点是：只采用简化的射流力载荷作为水斗应力分析 有限元模型载荷，计算精度较差；分析方法简单，不能精确描述水斗在机 组运行过程中的应力水平和应力变化情况；随着机组容量和设计水头的日 益增加，冲击式水轮机水斗的设计难度越来越大，这种分析方法已经不能 满足当前设计需求。
发明内容：
本发明提供了一种冲击式水轮机水斗动态应力分析方法。利用流体计 算软件分析水斗周围流场的压力分布，提取水斗过流表面动态压力场数据， 编写程序进行数据转换，生成水斗结构分析压力载荷文件并加以修正，循 环加载求解，绘制水斗动态应力变化曲线。该方法的优点是：以压力场数 据作为结构分析载荷，并考虑了压力场载荷的修正，计算精度较高。利用 该方法可以得到冲击式水轮机运行过程中，水斗的应力随时间的变化情况， 对掌握水斗工作受力状态以及评估水斗的动应力和静应力水平具有重要意 义。本技术方案的技术方案为：
1)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗周围流体的数学模型，设置计 算域的计算方程和边界条件等计算参数，求解并提取水斗过流表面的动态 压力场数据；
2)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗结构的有限元模型，在水斗连 接螺栓分布圆施加固定约束，对水斗转动中心施加转速载荷；
3)编写数据转换程序，利用流体压力场数据获得水斗动态应力分析 压力载荷文件；
4)在水斗过流表面循环加载不同时刻单个水斗表面压力载荷文件并 求解，提取结果文件，绘制单个水斗力矩曲线；
5)对水斗压力载荷进行修正，修正系数计算公式如下：
Kp＝Nr/Nc
Nc＝N0×Zb×Zp
N0＝M0×ω
ω＝2π×nr/60
M0＝A0/360
式中Kp为压力载荷修正系数；
Nr为额定出力；
Nc为计算出力；
N0为单个水斗出力；
Zb为水斗数；
Zp为喷管数；
ω为角速度；
nr为额定转速；
M0为单个水斗平均力矩；
A0为单个水斗力矩曲线积分。
6)在水斗过流表面循环加载不同时刻全部水斗表面压力载荷文件并求 解，提取结果文件，绘制水斗应力随时间变化的曲线，上述步骤即为冲击 式水轮机水斗动态应力分析方法。
技术效果：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
现有的冲击式水轮机水斗应力分析方法，只采用简化的射流力载荷作 为水斗应力分析有限元模型载荷，计算精度较差；分析方法简单，不能精 确描述水斗在机组运行过程中的应力水平和应力变化情况；随着机组容量 和设计水头的日益增加，冲击式水轮机水斗的设计难度越来越大，这种分 析方法已经不能满足当前设计需求。
本发明利用流体计算软件分析水斗周围流场的压力分布，提取水斗过 流表面动态压力场数据，编写程序进行数据转换，生成水斗结构分析压力 载荷文件并加以修正，循环加载求解，绘制水斗动态应力变化曲线。该方 法的优点是：以压力场数据作为结构分析载荷，并考虑了压力场载荷的修 正，计算精度较高。利用该方法可以得到冲击式水轮机运行过程中，水斗 的应力随时间的变化情况，对掌握水斗工作受力状态以及评估水斗的动应 力和静应力水平具有重要意义。
附图说明：
图1为冲击式水轮机水斗动态应力分析方法流程图；
图2为冲击式水轮机水斗动态应力分析程序流程图；
图3为冲击式水轮机转轮轴向视图；
图4为冲击式水轮机转轮水斗主视图；
图5为单个水斗力矩曲线；
图6为水斗动态应力变化曲线。
具体实施方式：
如图1所示，冲击式水轮机水斗动态应力分析方法，操作步骤如 下：
1)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗周围流体的数学模型， 设置计算域的计算方程和边界条件等计算参数，求解并提取水斗过流 表面的动态压力场数据；
2)运用商业软件建立冲击式水轮机水斗结构的有限元模型，在 水斗连接螺栓分布圆施加固定约束，对水斗转动中心施加转速载荷；
3)编写数据转换程序，利用流体压力场数据获得水斗动态应力 分析压力载荷文件；
4)在水斗过流表面循环加载不同时刻单个水斗表面压力载荷文 件并求解，提取结果文件，绘制单个水斗力矩曲线；
5)对水斗压力载荷进行修正，修正系数计算公式如下：
Kp＝Nr/Nc
Nc＝N0×Zb×Zp
N0＝M0×ω
ω＝2π×nr/60
M0＝A0/360
式中Kp为压力载荷修正系数；
Nr为额定出力；
Nc为计算出力；
N0为单个水斗出力；
Zb为水斗数；
Zp为喷管数；
ω为角速度；
nr为额定转速；
M0为单个水斗平均力矩；
A0为单个水斗力矩曲线积分。
6)在水斗过流表面循环加载不同时刻全部水斗表面压力载荷文 件并求解，提取结果文件，绘制水斗应力随时间变化的曲线，上述步 骤即为冲击式水轮机水斗动态应力分析方法。
如图2所示，冲击式水轮机水斗动态应力分析程序流程图，编写 数据转换程序，利用流体压力场数据获得水斗动态应力分析压力载荷 文件。
如图3所示，冲击式水轮机转轮轴向视图，在水斗连接螺栓分布 圆施加固定约束，对水斗转动中心施加转速载荷，在水斗过流表面施 加压力场载荷。
如图4所示，冲击式水轮机转轮水斗主视图，在水斗过流表面施 加压力场载荷。
如图5所示，单个水斗力矩曲线，通过对曲线积分，并利用机组 参数计算压力场载荷修正系数。
如图6所示，水斗动态应力变化曲线，利用曲线数据评估机组运 行过程中水斗的动应力和静应力水平。