摘要：冲击式水轮机具有结构简单、适用水头高、安装高程不受空蚀条件限制、对流量变化不敏感等优点,在河川上游、山区等水头高、流量小的地区应用普遍。
关键词：冲击式水轮机；水斗；有限元；结构优化；切削振动
水斗高应力区的结构优化和高品质加工是保证冲击式水轮机水力性能的关键。建立了水斗有限元模型，并确定合理的边界条件；根据机组运行特点，确定水斗计算载荷工况，以及应力考核标准。同时在满足水力性能及强度要求的前提下，充分考虑水斗根部的可加工性。
一、水斗仿真模型及边界条件
整体式转轮水斗尺寸大，其直径可达4 m，质量高达60 t以上。因此，采用ANSYS软件进行其工作状态下的结构应力状态分析。由于转轮水斗根部结构复杂、曲率变化大而且应力最高，因此为了保证水斗应力水平的计算精度，在水斗根部进行了网格加密处理。
1.边界条件设置。冲击式水轮机水斗工作时承受着喷管射流的交变冲击载荷，且射流冲击在水斗内表面上形成变化的压力场，可见水斗受力复杂、不易模拟。通常可以近似认为来自喷管的射流力主要作用在三个相邻的水斗上，其中中间的水斗承受1/2的射流力；两侧的水斗分别承受1/4的射流力。根据水轮机出力、额定转速、节圆直径以及喷管数，可以计算出单个喷管产生的射流力，计算式如下：
式中，F为单个喷管产生的射流力；Nr为额定功率；nr为额定转速；Zp为喷管数；D1为节圆直径。
以本文水斗结构和参数为基础，利用上述计算式可得到文中研究的冲击式转轮承受的单个喷管射流力为F=1.563×106 N，将该射流力等效为面压力施加在水斗射流直径范围，即
式中，p为单个喷管射流力等效压力；D0为射流直径。
水斗应力水平有限元分析的边界条件和载荷,为了模拟近似周期循环的水斗结构。在第1个和第5个水斗的外侧面施加周期循环对称边界条件；为防止水斗模型产生刚体位移，在水轮机主轴与轮毂连接螺栓处，约束相应节点的自由度；通常可以近似地认为来自喷管的射流力主要作用在3个相邻的水斗上，因而在中间的3个水斗射流直径范围内施加等效压力载荷；为模拟转轮转速引起的离心力作用，还要在有限元模型上施加转轮转动方向的角速度载荷。
2.水斗载荷工况及许用应力。根据水斗在机组运行过程中的受力特点，文中只研究了水斗正常运行工况和纯离心力工况这两个主要工况。在正常运行工况下，水斗承受喷管产生的射流力和转轮高速转动引起的离心力作用；而在纯离心力工况下，不考虑喷管产生的射流力对水斗的作用，只考虑转速引起的离心力载荷。
本文研究的水斗材料选用0Cr13Ni4Mo，根据国内外水轮机生产厂家的设计经验和试验依据，确定了水斗的许用应力因为冲击式水轮机水斗主要承受来自喷管的交变射流力，而此交变作用力正是水斗裂纹甚至断斗事故产生的根源，所以在冲击式水轮机水斗的强度考核中，要重点关注斗根部许用交变应力幅值和平均值。
二、水斗加工振动抑制
冲击式水轮机水斗数量多，其加工空间狭窄，需要使用大长径比的刀柄进行加工。当长径比达到一定数值，其切削振动过大而无法正常加工，尤其在水斗根部型线加工时尤为明显，因此抑制加工振动是关键。本文从大长径比的减震刀柄的设计应用技术角度出发，进行高精度水斗根部加工，以保证A族、B族和C族型线的准确，以确保水斗设计的水力性能。
1.减振刀柄内孔尺寸优化
（1）有限元仿真，通过研究发现大长径比刀柄与其几何结构有重要关系，其中，采用空心结构形式的刀柄以及外径锥柄结构有利于抑制切削振动。锥柄结构尺寸的确定与加工水斗的空间结构有关，其内孔尺寸的确定则需要系统分析和试验来确定。刀柄振动仿真模型，选取整个刀柄为分析计算模型，为防止产生刚体位移，假设机床是纯刚性体，即约束刀柄末端与机床接触面所有节点自由度。刀柄与机床轴座的接触面之间，用弹簧单元模拟机床轴套的刚度，其刚度系数取为2.96×109N/m。在刀柄底部刀头的刀片切削刃处施加1 000 N切削力，其方向和刀具切削时的情况相符。通过计算可得到刀柄内孔直径与刀尖振幅和频率的关系，可见刀尖振幅随着刀柄内孔直径和频率的变化而变化，存在使刀尖振动幅值最小的特定参数条件。本文采用的刀柄长径比为20:1，根据加工实际的切削参数和敲击式模态试验，其加工频率f≈725 Hz。在此频率下，可确定刀具空腔直径与振幅的关系。仿真结果表明：当刀柄内孔直径为8 mm时刀柄的振动最小。
（2）试验验证,试验装置:包括试验平台、涡流传感器和刀柄、其中刀柄的直径为32 mm，刀柄中心孔直径分别选择0 mm(实心)、6 mm、8 mm、12 mm。通过处理试验振动信号，得到测试结果，其中当刀柄内径为8 mm时，刀柄振幅值最小，与仿真分析的结果一致。同时对于有限元仿真和试验结果表明：本文的有限元模型其数值模拟计算选取的力学模型和边界条件是准确的。因此，今后在水斗加工选取刀柄尺寸时，可以采用有限元数值模拟手段，以期达到水斗加工过程中刀柄的振动幅值最小，保证水斗的加工质量。
2.加工验证
本文选择某型号水斗为例进行加工验证，其加工现场，中转轮直径1740 mm，水斗内表面最大宽度为440 mm。为了验证本项目关键技术在国际范围内的先进性，与国外某著名水轮机制造厂家的技术参数做了对比，其结果表明：应用本文加工技术的单个斗的加工的水斗加工效率接近国外先进技术水平，相处于一个数量级。
三、结论
通过有限元法对冲击式水轮机水斗高应力区进行结构的研究及水斗加工用刀柄中心孔的尺寸优化研究，得到如下结论。
1.给出了冲击式水轮机水斗高应力区结构优化方法，并确定斗根曲率均匀度、斗根深度和厚度是水斗应力水平的主要影响因素。
2.研制了水斗加工用大长径比减振刀柄(外为32 mm，长径比为1:20)的中心孔直径为8 mm时，切削过程中刀具振动的振幅最小。
参考文献：
[1] 张玉华，刘礼因，卿成彬。冲击式水轮机转轮水斗整体数控加工工艺及编程技术的研究，大电机技术，2013。
[2]李建平，冲击式水轮机水斗断裂的原因与修复，水电与新能源，2014。
论文作者:何云毅
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：水斗论文; 刀柄论文; 射流论文; 水轮机论文; 喷管论文; 应力论文; 加工论文; 《电力设备》2018年第30期论文;