大型水电机组结构优化选型与整体布局设计研究

摘要

大型水电机组的单机容量已达到700MW，结构尺寸越来越大，部件重量越来越重，而刚强度性能相对减弱。保障机组安全稳定运行、降低制造成本成为机组设计中更加突出的问题，能否找到一种布局佳、受力好、重量轻的部件设计，一直是设计人员梦寐以求的目标。开展水电机组结构件的优化选型设计，提出优化结构型式和机组整体布局，无疑是推进这一工作最有力的方法和手段，已成为提高目前水电机组设计水平的一个重要研究课题，具有重要的学术和经济价值。 结构的选型优化是一个世界性的前沿课题，目前还没有可行的解决方法。本文使用结构刚强度有限元分析对比方法，运用结构优化综合技术，通过对水电机组主要部件的刚强度对比和主要影响因素分析、优化选型和整体布局的设计分析，提出了定性和定量的优化选型设计方法，并得出如下的主要结论：1机组部件结构刚强度性能对比和主要影响因素分析。大量分析对比了几个有代表性的由国内外不同公司所设计的机组部件的刚强度性能，找出了国内外不同公司在同一构件设计上存在的差异和导致这种差异的原因，指出了顶盖、承重机架和定子机座设计的主要矛盾是刚度问题，而蜗壳座环的设计主要是强度问题。从结构拓扑，几何形状、板厚尺寸3个方面对水电机组4个部件--顶盖、蜗壳座环、承重机架和轴系刚强度主要因素进行了全面系统分析，找到了影响机组部件刚强度的主要因素，得到了这些部件全新的、深刻的认识，并给出了顶盖、蜗壳座环、承重机架优化型的结构型式。 2结构的选型优化分析和优化设计。提出了一种能定量地描述结构改进和优化选型的方法--灵敏度分析、参数研究、变量分析和参数化建模技术。通过变量分析做出的灵敏度图谱，可分析出主参数，进而给出设计师们所需要的设计曲线，为结构改进提供直接的参考数据。参数化建模技术可实现结构优化分析过程的自动化。以I-DEASTMMasterSeries7.0分析软件为依托，开发了尺寸优化、几何形状优化以及将尺寸和形状联合进行优化的功能，给出了4个有代表性水电机组结构件的优化设计实例，并取得了明显的效果。 3结构的选型优化设计。对水轮机蝶阀活门和水压试验闷头进行了选型设计，提出了2个创新结构。大型蝶阀采用4筋板桁架结构型式，刚强度和水力性能好，结构重量轻，水压试验闷头为球壳型设计。推广应用到30多台水轮机蝶阀的结构设计中，取得了2千多万元的经济效益。对混流式水轮机转轮提出用带有专家智能性的优化设计程序和方法，分析了影响转轮强度性能的各种因素，总结出转轮强度性能的改善途径，并提出了改变上冠、下环和叶片的局部厚度和补强三角块来施行优化的策略。 4水电机组整体布局优化设计。比较分析了国内外一些水电机组整体布局方案，指出国内所设计的机组布局存在厂房高，机组布置松散，缺乏整体优化设计理念等问题。对半伞式3导轴承的水轮发电机组的总体布置方案——下机架方案(推力轴承放置在下机架上)和推力支架方案(推力轴承放在顶盖上)的刚强度、制造成本、机组稳定性进行了对比分析，指出2种方案均是可行的，各有优势。以水口机组轴系的整体布置与优化为例，从导轴承的数量、支承刚度，轴的直径，轴系振型，平衡精度等方面对轴系布局的影响进行了分析研究，给出了采用2导轴承设计满足机组稳定性能的主要措施，并通过电站实际振动测试，表明布局方案选择的正确性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1问题的提出

1.2研究的历史和现状

1.2.1结构优化方法的发展历程及最新进展

1.2.2大型复杂结构优化设计的现状及程序系统

1.2.3水电机组结构优化设计的研究状况

1.3本文的研究目的与内容

2水电机组主要部件的刚强度性能对比分析

2.1概述

2.2国内外混流式水轮机顶盖刚强度对比分析

2.2.1顶盖结构参数分析

2.2.2顶盖刚强度对比分析

2.2.3顶盖刚度强弱原因初步分析

2.3国内外混流式水轮机蜗壳座环强度对比分析

2.3.1蜗壳座环结构参数分析

2.3.2蜗壳座环的最大应力比较分析

2.3.3蜗壳座环强度差异原因初步分析

2.4国内外发电机负重机架的刚强度对比分析

2.4.1发电机负重机架的结构参数分析

2.4.2发电机负重机架的刚强度性能分析

2.5国内外发电机定子机座刚度对比分析

2.5.1发电机定子机座的结构参数分析

2.5.2机座径向刚度的比较分析

2.6结论

3机组部件结构刚强度的主要影响因素

3.1概述

3.2影响顶盖轴向变形的主要因素

3.2.1顶盖结构的拓扑因素

3.2.2顶盖结构的形状因素

3.2.3顶盖结构的尺寸因素

3.3影响蜗壳和座环强度的主要因素

3.3.1蜗壳座环结构的拓扑因

3.3.2蜗壳座环结构的几何因素

3.3.3蜗壳座环各主要板件的厚度

3.4影响发电机下机架刚强度的主要因素

3.5水电机组轴系动态特性的主要影响因素

3.5.1陀螺效应对轴系自振特性的影响

3.5.2不平衡磁拉力对临界转速的影响

3.5.3导轴承刚度变化对临界转速的影响

3.5.4主轴直径变化对临界转速的影响

3.5.5主轴长度(支撑位置)变化对临界转速的影响

3.6结论

4机组部件结构综合分析技术

4.1概述

4.2结构优化的灵敏度分析技术

4.2.1灵敏度计算方法

4.2.2灵敏度计算实例

4.3结构优化中的参数研究

4.4结构优化分析中的变量分析技术

4.5结构优化分析中的参数化建模

4.6结论

5机组部件的结构优化设计

5.1概述

5.2结构优化的计算方法

5.3优化问题的求解过程及定义

5.4机组结构优化设计实例

5.4.1尺寸优化实例

5.4.2形状优化实例

5.4.3几何形状和板厚尺寸联合优化实例

5.4.4定子动态特性优选

5.5结论

6结构的选型优化设计

6.1概述

6.2结构选型优化所采用的方法

6.3大型水压试验闷头的结构选型优化

6.3.1闷头的几种结构型式

6.3.2闷头结构方案的性能比较

6.3.3球壳型闷头的最优结构

6.3.4大型水压试验闷头选型结论

6.4双平板型蝶阀活门的结构选型

6.4.1活门的拓扑结构

6.4.2活门的几何形状

6.4.3活门的板厚

6.4.4活门的结构选型结论

6.5结论

7混流式水轮机转轮强度的优化设计

7.1概述

7.2转轮的刚强度分析

7.2.1分析模型的建立

7.2.2转轮的应力和变形分布

7.2.3转轮的子结构法应力分析

7.3转轮局部应力的影响因素分析

7.3.1叶片数对应力的影响

7.3.2叶片型式对应力的影响

7.3.3上冠下环结构对应力的影响

7.3.4补强三角块(SRT)对应力的影响

7.3.5叶片局部加厚对应力的影响

7.4转轮的强度性能优化设计

7.4.1转轮的强度优化步骤

7.4.2三峡右岸转轮优化实例

7.5结论

8水电机组的总体布局优化设计

8.1概述

8.2机组的布局型式

8.3伞式发电机轴系结构的布局

8.4机组两种布置方式的性能分析

8.5机组轴系的整体布置与优化算例

8.5.1机组的轴系计算

8.5.2水口机组的振动测试试验

8.6结论

9结论

9.1本文工作的主要结论

9.2研究的前景与展望

9.3本论文主要创新点

参考文献

致谢

作者学习期间完成的主要科研工作和论文

作者简历