一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法

摘要

本发明公开了一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法，S1：基于冲击式水轮机的设计结构，构建转轮的三维数字化模型和三维有限元模型；S2：基于冲击式水轮机的设计工况，获取不同工况下的转轮的流场与应力场参数，并进行流固耦合，构建流‑固耦合动力学参数库；S3：将流‑固耦合动力学参数作为边界条件，代入转轮的有限元模型进行计算，得到包含不同流‑固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型。本发明实现了不同工况状态下冲击式水轮机转轮疲劳破坏寿命的预测，有助于研究冲击式水轮机疲劳破坏机理，探索冲击、振动、气蚀等因素对于转轮破坏的影响规律，对转轮的故障预测进行研究，为冲击式水轮机状态监控与故障预测研究提供基础理论支撑。

说明书

技术领域

本发明涉及能源转装备技术领域，尤其涉及一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法。

背景技术

水电是国家鼓励优先开发利用的资源之一。而水轮机是水电设备中实现流体能与机械能相互转换的核心部件，其性能的优劣对合理开发利用水能、保证电网及发电机组安全、可靠、稳定运行方面有重要影响。

水轮机设计主要考虑满足水力学的要求，如提高水能转换效率、降低压力脉动和空蚀空化等，而对于水斗的强度设计仍沿用传统的静强度安全评估的设计方法，即采用屈服极限和持久极限为基准的静强度评估准则，该方法没有考虑转轮水斗上的动应力和各种随机因素对水斗疲劳损伤的影响，即使水斗设计的安全系数比较大，依然不能避免出现疲劳破坏。

水轮机的转轮检测以现场人工检测为主，这种事后检测方法停机时间长、受人为主观因素较大，且往往都是在水轮机运转、出力情况出现明显异常之后采取的被动措施。此外水轮机现场使用情况复杂，并不完全与设计情况吻合，导致设计寿命与实际使用寿命差距较大。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法，解决现有水轮机转轮设计中存在的疲劳破坏设计问题和水轮机转轮应力场参数误差大、受力情况不明确的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法，包括以下步骤：

S1：基于冲击式水轮机的设计结构，构建转轮的三维数字化模型和三维有限元模型；

S2：基于冲击式水轮机的设计工况，获取不同工况下的转轮的流场与应力场参数，并进行流固耦合，构建流-固耦合动力学参数库；

S3：将流-固耦合动力学参数作为边界条件，代入转轮的有限元模型进行计算，得到包含不同流-固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型。

其中，步骤S1包括以下步骤：

P1：以冲击式水轮机的转轮设计图为基础，构建转轮的三维数字化模型；

P2：以转轮的三维数字化模型为基础，对模型进行有限元网格划分；

P3：根据有限元计算对网格的要求，对不同特征进行水斗曲面网格处理；

P4：生成转轮三维有限元模型。

其中，步骤P3包括以下步骤：

N1：对水斗曲面网格进行细化，在射流接触区域使用四面体网格，网格尺寸小于8mm；

N2：对转轮的设计结构中的阶梯、倒角特征进行细化，消除有限元计算中应力集中对结果的影响；

N3：对网格尺寸进行质量检查，要求纵横比小于3，偏斜度小于45°，翘曲度小于10，锥度小于0.35。

其中，所述步骤S2包括以下步骤：

T1：基于冲击式水轮机的设计工况，提取关键参数；

T2：模拟水流在流道和冲击过程中的状态，计算流场参数；

T3：模拟转轮旋转工作状态，计算应力场参数；

T4：将流场与应力场进行流固耦合，整合流固耦合计算结果，构建流-固耦合动力学参数库。

其中，所述步骤T2包括以下步骤：

Q1：模拟水流在水轮机的管路中的流动状态，分析水流的压力、流速和流量参数；

Q2：模拟水流经过喷嘴口时的流动状态，分析流体通过环状缝隙时的流量、压力损失；

Q3：模拟水流冲击到水斗曲面的接触状态，分析不同入射角对流体压力的影响；

Q4：基于步骤Q1-Q3确定冲击式水轮机转轮流场参数。

其中，步骤S3包括以下步骤：

R1：根据流-固耦合动力学参数，确定水轮机转轮对应工况的疲劳应力循环曲线；

R2：根据水轮机转轮材料性质，确定表明外加应力水平与疲劳寿命之间关系的材料S-N曲线；

R3：将应力循环曲线、材料S-N曲线作为边界条件，代入转轮有限元模型进行计算；

R4：对有限元计算结果后处理，得到包含不同流-固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型。

本发明的有益效果是，本发明实现了不同工况状态下冲击式水轮机转轮疲劳破坏寿命的预测，构建的结果有助于研究冲击式水轮机疲劳破坏机理，探索冲击、振动、气蚀等因素对于转轮破坏的影响规律，从而对转轮的故障预测进行探索性研究，为冲击式水轮机状态监控与故障预测研究提供了基础理论支撑。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明公开的一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法的流程图；

图2为以冲击式水轮机转轮设计图为基础，构建的转轮三维数字化模型图；

图3为对水斗曲面网格进行细化，使用四面体单元，网格尺寸小于8mm，射流接触区域的有限元网格图；

图4为网格分布的转轮有限元模型图；

图5为水轮机转轮对应工况的疲劳应力循环曲线图；

图6为表明外加应力水平与疲劳寿命之间关系的材料S-N曲线图；

图7为对有限元计算结果后处理，得到包含不同流-固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本实施例中，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”“上端”“下端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明提供了一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法，包括以下步骤：

S1：基于冲击式水轮机的设计结构，构建转轮的三维数字化模型和三维有限元模型。

其中，步骤S1包括以下步骤：P1：以冲击式水轮机的转轮设计图为基础，构建转轮的三维数字化模型；P2：以转轮的三维数字化模型为基础，对模型进行有限元网格划分；P3：根据有限元计算对网格的要求，对不同特征进行水斗曲面网格处理；P4：生成转轮三维有限元模型。

其中，步骤P3包括以下步骤：N1：对水斗曲面网格进行细化，在射流接触区域使用四面体网格，网格尺寸小于8mm；N2：对转轮的设计结构中的阶梯、倒角特征进行细化，消除有限元计算中应力集中对结果的影响；N3：对网格尺寸进行质量检查，要求纵横比小于3，偏斜度小于45°，翘曲度小于10，锥度小于0.35。

S2：基于冲击式水轮机的设计工况，获取不同工况下的转轮的流场与应力场参数，并进行流固耦合，构建流-固耦合动力学参数库。

其中，所述步骤S2包括以下步骤：T1：基于冲击式水轮机的设计工况，提取关键参数；T2：模拟水流在流道和冲击过程中的状态，计算流场参数；T3：模拟转轮旋转工作状态，计算应力场参数；T4：将流场与应力场进行流固耦合，整合流固耦合计算结果，构建流-固耦合动力学参数库。

其中，所述步骤T2包括以下步骤：Q1：模拟水流在水轮机的管路中的流动状态，分析水流的压力、流速和流量参数；Q2：模拟水流经过喷嘴口时的流动状态，分析流体通过环状缝隙时的流量、压力损失；Q3：模拟水流冲击到水斗曲面的接触状态，分析不同入射角对流体压力的影响；Q4：基于步骤Q1-Q3确定冲击式水轮机转轮流场参数。

S3：将流-固耦合动力学参数作为边界条件，代入转轮的有限元模型进行计算，得到包含不同流-固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型。

其中，步骤S3包括以下步骤：R1：根据流-固耦合动力学参数，确定水轮机转轮对应工况的疲劳应力循环曲线；R2：根据水轮机转轮材料性质，确定表明外加应力水平与疲劳寿命之间关系的材料S-N曲线；R3：将应力循环曲线、材料S-N曲线作为边界条件，代入转轮有限元模型进行计算；R4：对有限元计算结果后处理，得到包含不同流-固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型。

下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：

以中国四川某水电站冲击式水轮机转轮的疲劳破坏模型为例，图1为冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法的流程图。一种冲击式水轮机转轮疲劳破坏模型构建方法，具体包含以下步骤：

S1：基于冲击式水轮机的设计结构，构建转轮的三维数字化模型和三维有限元模型。

其中，步骤S1包括以下步骤：P1：以冲击式水轮机的转轮设计图为基础，构建转轮的三维数字化模型，如图2；P2：以转轮的三维数字化模型为基础，对模型进行有限元网格划分，根据转轮节圆直径1400mm，确定基础网格尺寸为10mm，自动划分为三角形面单元和四面体单元；根据转轮节圆直径1400mm，确定基础网格尺寸为10mm，自动划分为三角形面单元和四面体单元；P3：根据有限元计算对网格的要求，对不同特征进行水斗曲面网格处理；首先，对水斗曲面网格进行细化，在射流接触区域使用四面体网格，网格尺寸小于8mm，如图3；其次，对转轮的设计结构中的阶梯、倒角特征进行细化，消除有限元计算中应力集中对结果的影响；最后，对网格尺寸进行质量检查，要求纵横比小于3，偏斜度小于45°，翘曲度小于10，锥度小于0.35。P4：生成网格分布合理的转轮三维有限元模型，如图4。

S2：基于冲击式水轮机的设计工况，获取不同工况下的转轮的流场与应力场参数，并进行流固耦合，构建流-固耦合动力学参数库。

其中，所述步骤S2包括以下步骤：T1：基于冲击式水轮机的设计工况，提取关键参数，包括但不限于设计水头、设计流量、机组转速、水机效率、水机出力等：

设计水头是指在施工设计时坝前可到达的最高水头位置，液体恒元流的能量方程中，压强、流速、能量损失都与水头有关，设计水头越大转轮越容易发生疲劳破坏；

设计流量是指单位时间内流经管道有效截面的流体量，用于衡量单位时间内流入水轮机水流多少，流量越大管道内的流速越快，设计流量越大转轮越容易发生疲劳破坏；

机组转速是指水轮机转轮受水流冲击后，水轮机主轴旋转的速度，水轮机转速和发电机转速相同，决定了机组发电的频率；

水机效率是指水轮机轴功率与流经水轮机的水流能量之间的比值。用于衡量水流流经水轮机时，所发生的水力损失、流量损失和机械损失，水机效率总小于1；

水机出力是指在单位时间内具有一定水头和流量的水流通过水轮机所做的功，水机出力的大小与设计水头、流量和效率相关，水机出力越大转轮越容易发生疲劳破坏。

T2：根据水轮机水头、流量、管路走向、管路直径、弯管弯曲角度等参数，模拟水流在水轮机的管路中的流动状态，使用流体的连续性方程、本构方程、粘性运动方程计算出水流在管路中的压力、流量。模拟水流经过喷嘴口时的流动状态，分析流体通过环状缝隙时的流量、压力损失；模拟水流冲击到水斗曲面的接触状态，分析不同入射角对流体压力的影响；确定冲击式水轮机转轮流场参数；

T3：根据转轮的转速、转动惯量，模拟转轮旋转工作状态，计算应力场参数；

T4：将流场与应力场进行流固耦合，整合流固耦合计算结果，构建流-固耦合动力学参数库。

S3：将流-固耦合动力学参数作为边界条件，代入转轮的有限元模型进行计算，得到包含不同流-固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型。

其中，步骤S3包括以下步骤：R1：根据流-固耦合动力学参数，确定水轮机转轮对应工况的疲劳应力循环曲线，如图5；R2：根据水轮机转轮材料性质，确定表明外加应力水平与疲劳寿命之间关系的材料S-N曲线，如图6；R3：将应力循环曲线、材料S-N曲线作为边界条件，代入转轮有限元模型进行计算；R4：对有限元计算结果后处理，得到包含不同流-固耦合动力学参数的转轮疲劳破坏模型，如图7。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。