混流式水轮机转轮的刚强度分析.

1、第 24 卷第 2 期文章编号：1000 7709(2006 02 0008 04水电能源科学V o I. 24N o. 2混流式水轮机转轮的刚强度分析徐斌廖伟丽逯鹏(西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048摘要:运用CFX软件对混流式转轮不同工况下的流场进行计算，得出作用在转 轮上的压力。通过有限元软件把叶片的压力分布作为荷载加载到转轮上，由此精确地计算变工况下的混流式转轮及叶片刚强度，确定出混流式转轮叶片上的应力和变 形。关键词：混流式水轮机；转轮；叶片；流场中图分类号:T K 73文献标志码:A1概述中、高比速混流式水轮机转轮中的裂纹现象，在世界各地普遍存在。国内的岩 滩、李家峡、

2、五强溪及埃及的阿斯旺高坝、俄罗斯的布拉茨克等大型水电站1,2,在投运后水轮机转轮都不同程度地出现了裂纹。转轮裂纹严重影响电站的安全运行 和经济效益，如何彻底解决裂纹问题已成为世界范围内倍受关注的热点与难点。国 内外的研究表明，转轮运行中出现的裂纹可分为规律性裂纹和非规律性裂纹。绝大 多数的规律性裂纹是疲劳3, 4裂纹,其断口呈贝壳纹，是由于设计不完善导致转轮疲劳强度不足及水力激振力 引发的结构共振所产生的动载荷作用，特别是出现低频共振时，极易引起结构的严重 破坏。非规律性裂纹，有的呈龟裂纹，有的呈脆性断口，也有的呈疲劳贝壳纹，多半是 由材料不良或制造缺陷造成5, 6。本文主要研究规律性疲劳裂纹

3、的变化情况。运用CFX5软件计算出流场中的压力分布，将流场压力加载到转轮上，利用有限元软件 计算转轮在易发生空化和产生裂纹的工况点的应力和变形，再对其结果进行分析。=Db u （2式中，u、F分别为节点的位移和所受的力；K、D、b分别为刚度矩阵、弹性 矩阵、应变矩阵。以某一混流式转轮为研究对象，该转轮直径为0. 34m，叶片数为13个,密度为8. 05 10kg /m 3,弹性模量为3 1011,泊松比为0. 27。3应用CFX5软件建立混流式水轮机转轮的模型图,并计算出流场的分布（图1以 导叶开度为16mm,单位转速为37. 5r/min为例。！再建立转轮的模型,转轮由上 冠、叶片和下环组成

4、。上冠与主轴上的法兰盘用螺栓连接，上冠、叶片与下环之间是通过焊接相连接。？应用有限元软件中的Meshtoo l功能，采用Solid45单元，将所 建的三维模型划分单元，网格划分采用自由划分，整个模型节点数为17887个,所建 模型如图2所示。2模型的建立结构强度计算的静力学有限元方程为7:K u =F （1收稿日期:2006 03 02基金项目：国家自然科学基金资助项目（90410019, 50379044作者简介：徐斌（1978 ,男，硕士研究生，研究方向为转轮动应力，E mail:x ubing78102Si na. co m. cn图 1 转轮网格图 Fig. 1 Me s h g ri

5、d o f runner第24卷第2期徐斌等:混流式水轮机转轮的刚强度分析# 9 #得到,并通过一定的方法加载到有限元模型的节点上，利用有限元软件可以计算 出转轮在水压力情况下的变形和应力。7图 2 转轮模型 Fig. 2 Runne r mode l3边界条件的处理图3转轮模型特性曲线计算模型的边界条件处理，是为了使所建模型能逼真地模拟所分析结构的安装、固定以及与周围其他结构之间的相互作用关系，同时能准确地模拟结构在各种 工况下的受力情况。3. 1约束边界条件在本次计算所建模型中，混流式水轮机与其他部件之间相连接的是上冠与下环。所以约束即在上冠和下环上加：混流式水轮机上冠与主轴上的法兰盘是螺

6、栓连接,所以上冠顶部加以全约束，即U x =U y =U z =0,用于模拟在受力时上冠与法兰 盘之间不可能发生相互移动的实际情况。！对与叶片焊接的下环，加以单向约束，即 U z =0,这反映了真实结构在整体中不可能互相侵入的事实。3. 2计算根据水轮机的实际情况及采用 CFX5对流场的理论计算，可知当导叶开度较 小、比转速较大或较小的情况下，叶片上较易产生叶道涡。因此，根据转轮340mm 的模型特性曲线（图3选取表1所给工况进行刚强度计算。这些工况的Fig. 3 Charac t e rist ic c urv e o f runne r mo de l4结果与分析通过有限元软件的计算可得到

7、转轮在流场中各个工况点的应力图和变形图，以工况1的变形与应力图(图4、图5示之，其他工况点的情况见图5变形图t o rt io n o f r#10# 表1。水电能源科学2006年裂纹破坏的可能性，而将裂纹的产生归因于运行过程中的动载荷的作用。在水 轮机运行过程中应尽量避免偏离最优工况运行。由图6、图7的水压力分布图可看出，在小流量工况点，叶片正背面水压力的最 大值出现在进水边靠近下环的部位，从进水边到出水边由正压到负压逐渐过渡，叶片 背面靠近出水边区域为负压分布区。在出力限制线上的大流量工况点叶片正背面水 压力的最大值出现在进水边靠近上冠的部位，从进水边到出水边由正压到负压逐渐 过渡，叶片背

8、面靠近出水边区域为负压分布区。0. 2140. 2820. 3590. 3100. 294表1各工况点转轮的变形和应力Ta b. 1 Dis t or t ion a nd s t re ss o f runner atdiff er ent o pe rat ing c on dit ion工况12345最大应力最大位移-1/mm导叶开度/mm单位转速/(r #min /M P16. 016. 020. 024. 426. 367. 587. 580. 087. 567. 541.255. 869. 462. 158. 9工况条件注:最大应力位置均出现在叶片出水边与上冠和下环的连接处；最大位

9、移位置均 出现在转轮下环处和叶片下部靠近出水边处。由图4转轮应力图可看出，转轮应力集中主要出现在叶片出水边根部接近上冠 处，这与转轮叶片裂纹实际产生的位置完全吻合。由图5各种叶片的变形图可看出，叶片的变形均从上冠到下环逐渐变大，最大变形位于下环处，此部位就是叶片振动的 敏感区域。由表1可知,随着导叶开度和单位转速的增大，转轮叶片的变形和应变也越来越 大，这与实际情况相一致。其最大等效应力值远小于转轮材料的极限破坏应力，因此可以排除静应力引起叶片5结语用CFX和有限元分析软件对混流式转轮进行了刚强度计算，通过节点一对一的 载荷传递，以最小误差值的形成实现了压力场与结构场的数据传递。计算表明，转轮

10、最大应力出现在叶片出水边靠近上冠处，最大等效静应力远小于转轮材料的极限破 坏应力,不可能短期造成叶片裂纹。叶片的变形从上冠到下环逐渐变大，下环部位是叶片振动的敏感区域。在混流式水轮机转轮的机械图6小流量工况点水压力分布图（工况1 Fig. 6 Chart o f bla de s st r e ss a t lit t leflux图7大流量工况点水压力分布图(工况5 Fig. 7 Char to f blade s s t re ss at big nes s f lux第 24 卷第 2 期文章编号：1000 7709(2006 02 0011 03水电能源科学V o l. 24N o.

11、2模糊自学习控制在水电机组控制中应用研究王淑青1,2李朝晖袁晓辉11(1.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北武汉430074; 2.湖北工业大学电 气与电子学院,湖北武汉430068摘要:采用具有自学习能力的自适应模糊控制器来控制水电机组运行。自适应 模糊控制器将模糊控制和神经网络结合，根据运行情况在线调整模糊推理规则和隶 属函数，使控制系统具有自适应学习的特性。学习中学习速率和平滑因子可根据误 差情况在线修改，克服了网络学习速度慢和局部最优的缺点。仿真实验表明，设计的自适应模糊控制器具有良好的鲁棒性，可有效地改善水轮发电机组系统的动、静态 性能。关键词 冰轮发电机组；模糊控制；神经网络；

12、在线学习中图分类号:T K 73;0231文献标志码:A水电厂水轮发电机组是一个高度非线性、时变不确定，具有死区、非最小相位特性的高阶系统，这使得水电机组控制策略的研究比较复杂，因此有必要不断探索， 以寻求更好的控制策略1。模糊控制不依赖于被控过程数学模型，利用领域专家的 先验知识进行近似推理。但在工程实际应用中对于时变、非线性的水电机组系统，却缺乏在线学习和自调整能力。如何生成或调整隶属函数和模糊规则，是一个很复杂的问题。研究具有学习能力的自适应模糊控制器，能够根据运行工况自动调整控制参数和控制规则，以适应不同的运行工况是发展水电厂水轮发电机组智能控制的 重收稿日期:2006 03 28要方

13、向。而神经网络对环境的变化有极强的学习能力，模糊和神经网络结合，可优势互补,提高透明度和学习能力。本研究根据模糊系统的结构,设计等价的模糊神经网络控制器来控制水电机组运行。2, 31机组控制系统结构水轮发电机组控制系统由自适应模糊控制器、系统辨识网络和水电机组构成，其结构如图1所示。自适应模糊控制器根据误差和误差变化率进行推理 ，输出控制 量以控制水轮发电机组运行。基金项目：国家自然科学基金资助项目（50309013, 50409010 ;湖北省自然科学基 金资助项目（2005ABA228作者简介:王淑青（1969 ,女,讲师、博士研究生,研究方向 为智能检测与控制、系统分析与集成，E mia

14、l:wa n g qing 9711163. co m设计过程中，对转轮的强度校核应注意个别工况点的应力情况。参考文献：1 大中型混流式水轮机运行稳定性专辑A .哈尔滨：哈尔滨大电机研究所，2004.2 F isher R K , Seidel U , G ro sse G A. Case St udy inResonant Hy dr oelast ic V ibration:T he Causes o f Runner Cv acks and the So lutio ns I mpleme nted for the Xiao Ian gdi H ydro electr ic Pr oje

15、ct A. Pr oceed ings of the H ydraulic M achi nery and Sy stems 21th IA H R Symposium©. L ausa nne, 2002. 895 9063唐澍,吴培豪.近代大型混流式水力稳定性不良和裂纹原因的探讨A .第十五次中国水电设备学术讨论会论文集C.西宁:青海人 民出版社,2004. 168 1744 李启章.水轮机转轮裂纹问题A .第十五次中国水电设备学术讨论会论文集C.西宁:青海人民出版社，2004. 40 435 薛伟,陈昭运.水轮机叶片裂纹原因及预防措施研究J.大电机技术，2002（5 :42 4

16、56 樊世英.混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施J.水力发电,2002(5 :38 417 梁权伟.考虑流固耦合作用的水轮机转轮动力特性分析D.北京:清华大学,2003.M A IN T O PICS, A BST RA CT S &K EY WO RDS#%#ISSN 1000 7709WATER RESOURCES AND POW ERVol. 24, N o. 2, Apr. , 2006Bimonthly (Serial N o. 90Edited and Published:WA TER RESOURCESAND POWER Editorial Depar tm entA

17、dd:H U ST, Wuhan 430074, China Tel:0086 027 87542126E mail:sdny x 263.netDistributed Abroad:Ch ina In ter n ati onal Boo kTr ading Corporation(P. O. Box 399, 100044Beijng , ChinaC ode:Q4165MAIN TOPICS, ABSTRACTS & KEY WORDSC ombination Forecasting Model of China Energy C onsumption Based on Gray

18、Model and Back Propagati on Network F U Jiafe ng (In stitute o f G eog raphical Scie nces and N atural Reso urces Research, CAS, Beiji ng 100101, ChinaXU Bin (Xi ? an U niv. o f T ech. , Xi ? an 710048, Chi na LIAO Weili LU PengLU O Xin gqi p8 11Abstractsn this paper, w e first use soft war e to ana

19、l y sis the f low field o f runner fo r F ran cis t rub ine un der dif fer ent w or king con diti ons, w e can get the pressur e f ield and velocity field fro m the analysis. A fter that, by using this softw are we can use the pr essure field as the load which act on the turb ine blades and calculat

20、e t he turb ine blade rigidit y under dy namic wo rking co nditions and w e can g et the str ess and disto rtio n o f the r unner. T he an aly sis result and disscusio n ar e g ive n, which suppo rts t he re search on the char acteristic an alysis for ro tor bear ing sys tem dyn amics of larg e hydr

21、oelect ric mach in es.Key words:F ran cis tur bine; runner ; blades; flow fieldCA I Guo tia n ZH ANGLei pl 4Abstract:Co mbin ati on for ecasti ng model ar e pr acti cable in complex econo mic system w ith uncompleted info r mation. Because ener gy consumptio n system is complex and non lin ear, this

22、 paper comb ines n eural netw or k and three models of G M (1, 1 , WPG M (1, 1 , pG M (1,1 w ith ener gy con sumptio n data, and pro po ses t he co mbin atio n forecast ing model of energ y con sumptio n. T he r esult show s that this model can g ain o ptimized for ecasting v alue and can be taken a

23、s an effect ive too l to pr edict futur e ener g y con sumpti on.Key words:gr ay mo del; ar tificial neur al netw ork; co mbinat ion for ecasting model; energ y co n sumpt ionApplicati on of Relative Path in Un steady Flow Study in Pelt on Turb ines H AN Feng qing(Colleg e of Electr ic P ow er So ut

24、 h China U niv. o f T ech.,Research on Fuzzy Self learni ng Con troller Used in Hydroelectric Gen erat ing Unit WANG Shu qing (Co llege of Hy dropow er &lnfor mation En g. , HU ST , Wuha n 430074, China LI Zhaohui YU AN Xiaohui p11 13Abstract:Co nven tio nal co ntr oller canno t get go od co nt

25、rolli ng perfor mance in the co ntr ol o f hy dr oelectr ic gen erat ing unit sy stem because the system is non lin ear and co mplicated. In the paper new fuzzy self lear ning con t roller is desig ned to contr ol hydro electric gen erat ing un it. T he desig ned new fuzzy co nt ro ller comb ines n

26、eur al net w or k into fuzzy reas oning system. F uzzy reas oning r ules and member funct ion may be tr ained on line v ia n eural n etw or k, w hich makes co ntr ol system hav ing the charac ter of self adapt ing. In order to accelerate lear ning and co nv erg ing quickly, parameter s may be adjust

27、ed accor ding to er ro r and er ro r cha ng e. Simulat ion experime nt show s that the desig ned contr oller has stro ng er ro bust perfo rm ance and excelle nt static and dyn amic per for man ce.Key words:hydroelect ric g enerating unit; fuzzy con t rol; neural netw or k; on line learningZH EN G Aili ng XIAOYex iang KUBOTA Tak