一种水轮机桨叶轴瓦及其对偶部件的结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种水轮机桨叶轴瓦及其对偶部件的结构优化方法，具体包括以下步骤：S1、对转轮机构中的轴瓦及桨叶枢轴部分进行受力分析，最大支反力和最小支反力；S2、以最小支反力和最大支反力为工况依据进行有限元模拟建模，并结合最大水头工况和额定水头工况对有限元建模分析，得到不同工况下轴瓦接触压力分析结果，并根据分析结果得出轴瓦磨损原因为端面接触压力过大；S3、利用解析法对轴瓦进行受力分析以及对轴瓦接触压力进行计算分析，并将该计算结果与有限元分析结果进行对比；S4、根据有限元分析得出的轴瓦磨损原因以及解析法验证结果提出优化方案。该发明专利技术可以有效对水轮机中产生扫膛现象的原因进行分析并提出结构上的优化方案。的优化方案。的优化方案。

【技术实现步骤摘要】
一种水轮机桨叶轴瓦及其对偶部件的结构优化方法


[0001]本专利技术涉及水轮机转轮机构
，尤其涉及一种水轮机桨叶轴瓦及其对偶部件的结构优化方法。

技术介绍

[0002]桨叶轴瓦的轴向磨损会造成机组运行时桨叶与转轮室间隙变小，并由于灯泡贯流式水轮机的运行特点，桨叶运行位置不同间隙变化的大小同，此种运行状态更加剧了桨叶运行间隙的不均匀度，将导致压力脉动增加、机组的振动摆度值增加、噪音增加。当桨叶轴瓦端面磨损达到一定数值后，会导致桨叶与转轮室产生金属碰撞，并此碰撞为周期性的旋转撞击，易导致转轮室产生疲劳裂纹，电站出现灾难性的重大事故。
[0003]转桨式水轮机主要用于低水头、大流量的水电站，其转轮桨叶为悬臂梁结构，桨叶通过枢轴将轴向水推力、水力矩及桨叶重力、离心力作用在转轮体轴瓦上。在机组运行桨叶开度调节过程中，轴瓦和枢轴之间无法避免会产生摩擦，从而形成枢轴与轴瓦表面之间的磨损。如果轴瓦材料性能较差，甚至会出现在压力的作用下轴瓦基体破碎的状况。由于转桨式水轮机转轮结构所固有的特点，桨叶枢轴中心与转轮体轴瓦中心存在一定的倾斜角度，这导致轴瓦受力不均匀，其磨损状态必然为偏磨。当轴瓦磨损量较大或出现损坏时，导致桨叶枢轴中心与转轮体轴瓦中心倾斜角度增大，桨叶密封补偿量不足，出现转轮漏油、进水的现象。因此转桨式水轮机转轮枢轴轴瓦的性能直接影响桨叶密封的使用效果，枢轴轴瓦的使用寿命决定了机组的大修周期，甚至影响机组的正常运行；桨叶轴瓦的端面磨损，会导致桨叶与转轮室间隙的变化，严重时出现桨叶“扫膛”的现象，严重影响电厂的经济效益和社会效益。
[0004]而对水轮机中的叶轮机构进行全部成本过高，且没有针对性的进行更换无法从根本上对水轮机中叶轮机构进行优化以减少磨损产生的影响，因此申请人认为需要提供一种对轴瓦及其对偶部件进行磨损分析并进行优化的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提出了一种水轮机桨叶轴瓦及其对偶部件的结构优化方法，包括以下步骤：
[0007]S1、对转轮机构中的轴瓦及桨叶枢轴部分进行受力分析，得到在最大水头工况下，叶片处于转动状态和停止状态下作用于桨叶枢轴上的支反力；
[0008]S2、根据不同工况结合两组支反力进行有限元模拟建模，并结合最大水头工况和额定水头工况对有限元建模进行轴瓦不同部位的有限元分析，得到不同工况下轴瓦接触压力分析结果，并根据分析结果得出轴瓦磨损原因为端面接触压力过大；
[0009]S3、利用解析法对轴瓦进行受力分析以及对轴瓦接触压力进行计算分析，得到各工况下轴瓦接触压力，并将该计算结果与有限元分析结果进行对比，验证有限元分析中所
得到的轴瓦磨损原因是否正确；
[0010]S4、根据有限元分析得出的轴瓦磨损原因以及解析法验证结果提出优化方案，对轴瓦进行结构规格上的调整，增加轴瓦及其对偶部件的外径，并对优化方案再次进行各个工况下的有限元分析以及解析法验证，用以验证优化方案的可行性。
[0011]本专利技术通过对轴瓦进行不同工况条件下的有限元分析，从而对轴瓦的端面接触压力以及轴瓦的径向接触压力进行计算分析，进而得到轴瓦的摩擦原因，并使用解析法对各个相同工况下轴瓦端面接触压力以及轴瓦径向接触压力进行计算和分析，以用于确保有限元分析得到的摩擦原因为符合实际的结果，并根据摩擦原因对轴瓦进行分析得到轴瓦的结构规格优化改进方法，从而在不对整个叶轮操作机构进行更换的前提下对轴瓦部分进行磨损分析并进行结构优化改进。
[0012]可选地，所述S1中对轴瓦及浆液枢轴部分受力分析后，对转轮机构中的桨叶枢轴进行水力矩和水推力计算，得到桨叶枢轴在工作状态下的最大水头和最小水头，并根据最大水头和最小水头对转轮机构的最低操作油压进行计算，得到在最大水头工况下作用于下桨叶枢轴上的最大支反力以及在最小水头工况下作用于桨叶枢轴上的最小支反力。
[0013]进一步地，所述S2中，有限元法分析时对轴瓦以及转轮进行均进行建模，且对转轮建模时，根据转轮的周期对称性建立的分析模型为包含一个叶片的转轮的一个周期，在剖开面施加周期对称边界条件，约束叶片枢轴连杆处节点的周向自由度；转轮枢轴与轴瓦接触处采用接触单元设置。
[0014]进一步地，在S2中，有限元法模拟工况时需要模拟出额定水头、额定出力的工况以及最大水头、额定出力的工况。
[0015]进一步地，S2中，对轴瓦有限元分析包括对轴瓦的端面接触应力分析以及对轴瓦径向接触应力的分析，并在额定水头、额定出力的工况以及最大水头、额定出力的工况下分别对轴瓦的端面接触压力以及径向接触压力进行有限元分析，以得到不同工况下轴瓦端面接触压力以及轴瓦径向接触压力的分析结果。
[0016]进一步地，在S2中，在有限元分析过程中加入对边缘接触压力因素的约束输入，对轴瓦端面接触压力以及径向接触压力在额定水头、额定出力的工况以及最大水头、额定出力的工况下再次进行有限元分析，从而得到在考虑边缘接触压力因素影响时，不同工况下轴瓦端面接触压力以及轴瓦径向接触压力的结果，以确定边缘接触压力对轴瓦端面接触压力以及径向接触压力的影响。
[0017]进一步地，在S2分析中，对轴瓦进行变形分布有限元分析，用以模拟观测轴瓦变形位置，变形分布有限元分析包括：
[0018]额定水头、额定出力工况下轴瓦径向变形分布以及轴瓦端面变形分布；
[0019]最大水头、额定出力工况下轴瓦径向变形分布以及轴瓦端面变形分布；
[0020]额定水头、额定出力工况下轴瓦径向变形分布以及轴瓦径向变形分布；
[0021]最大水头、额定出力工况下轴瓦径向变形分布以及轴瓦径向变形分布。
[0022]进一步地，依据对优化方案进行验证时，依据S2、S3的步骤对优化方案进行有限元分析和解析法计算验证，以确定优化方案的可实施性。
[0023]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0024]本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0025]图1为本专利技术对轴瓦及其对偶部件进行理论分析提出结构优化方案的步骤流程图；
[0026]图2是对轴瓦及其对偶部件进行理论分析提出结构优化方案中对转轮的有限元建模示意图；
[0027]图3是本专利技术对轴瓦及其对偶部件进行试验分析提出材料优化方案的步骤流程图；
[0028]图4是对轴瓦及其对偶部件进行试验分析提出材料优化方案中A2的具体步骤流程图。
具体实施方式
[0029]下面详细描述本专利技术的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0030]目前水力发电站的水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水轮机桨叶轴瓦及其对偶部件的结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、对转轮机构中的轴瓦及桨叶枢轴部分进行受力分析，得到在最大水头工况下，叶片处于转动状态和停止状态下作用于桨叶枢轴上的支反力；S2、根据不同工况结合两组支反力进行有限元模拟建模，并结合最大水头工况和额定水头工况对有限元建模进行轴瓦不同部位的有限元分析，得到不同工况下轴瓦接触压力分析结果，并根据分析结果得出轴瓦磨损原因为端面接触压力过大；S3、利用解析法对轴瓦进行受力分析以及对轴瓦接触压力进行计算分析，得到各工况下轴瓦接触压力，并将该计算结果与有限元分析结果进行对比，验证有限元分析中所得到的轴瓦磨损原因是否正确；S4、根据有限元分析得出的轴瓦磨损原因以及解析法验证结果提出优化方案，对轴瓦进行结构规格上的调整，增加轴瓦及其对偶部件的外径，并对优化方案再次进行各个工况下的有限元分析以及解析法验证，用以验证优化方案的可行性。2.如权利要求1所述的一种水轮机桨叶轴瓦及其对偶部件的结构优化方法，其特征在于，所述S1中对轴瓦及浆液枢轴部分受力分析后，对转轮机构中的桨叶枢轴进行水力矩和水推力计算，得到桨叶枢轴在工作状态下的最大水头和最小水头，并根据最大水头和最小水头对转轮机构的最低操作油压进行计算，得到在最大水头工况下作用于下桨叶枢轴上的最大支反力以及在最小水头工况下作用于桨叶枢轴上的最小支反力。3.如权利要求1所述的一种水轮机桨叶轴瓦及其对偶部件的结构优化方法，其特征在于，所述S2中，有限元法分析时对轴瓦以及转轮进行均进行建模，且对转轮建模时，根据转轮的周期对称性建立的分析模型为包含一个叶片的转轮的一个周期，在剖开面施加周期对称边界条件，约束叶片枢轴连杆处节点的周向自由度；转轮枢轴与轴瓦接触处采用接触单元设置。4.如权利要求3所述的一种水轮机...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁晖庆，肖遥，蒲洪坚，邓亚，陈政，肖学友，彭谅，
申请(专利权)人：怀化沅江电力开发有限责任公司洪江水力发电厂，
类型：发明
国别省市：