一种冲击式水轮机水斗根部造型方法及结构与流程

1.本发明属于水轮机技术领域，特别涉及一种冲击式水轮机水斗根部造型方法及结构。


背景技术：

2.水斗是冲击式水轮机的核心部件之一，且结构复杂、曲面变化剧烈。在机组运行时，水斗承受巨大的交变载荷，极易发生裂纹甚至断斗事故。水斗根部形成的高应力区是发生该事故的一个主要原因，因此必须对水斗高应力区域进行优化设计，严格控制水斗高应力区域的静应力和动应力水平。
3.目前，大部分水斗根部造型只是简单的采用圆柱面与水斗根部曲面过渡连接(见图7)。利用该方法只能保证水斗根部各个曲面之间的圆滑过渡，不能保证较低的应力水平和应力均匀分布；这种结构的优点是造型简单，缺点是没有考虑过渡曲面局部刚度对应力分布的影响，对降低水斗应力效果不明显，随着冲击式水轮机单机容量和设计水头的增加，该方法已不能满足当前设计需求。
4.如图6的造型流程图，也有少部分针对影响水斗根部应力水平的主要因素，分步骤逐一进行结构优化造型，该造型方法的优点是能够有效的降低水斗高应力区的应力水平，缺点是造型方式复杂，且通用性、操作性较差，大大加长水斗的开发周期。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种可有效降低水斗根部高应力区的应力水平，且增强其通用性和操作性以减少水斗的开发周期的冲击式水轮机水斗根部造型方法及结构。
6.本发明所采用的技术方案为：
7.一种冲击式水轮机水斗根部造型方法，包括以下步骤：
8.水斗根部的中部与两侧均采用圆柱面与水斗曲面过渡连接，得到水斗根部的基础结构；
9.对水斗施加边界条件和载荷，对水斗进行有限元求解，并提取应力结果；
10.根据应力结果，将水斗根部划分成中部的高应力区和两侧一般应力区；
11.在高应力区添加辅助截面及控制线，通过曲线组或曲线网格构建削顶的马鞍型减应力结构；
12.在一般应力区内通过倒圆方式与水斗根部的正、背面相连；
13.将马鞍型减应力结构与一般应力区的圆柱面通过桥接曲面的方式进行桥接，使马鞍型减应力结构与一般应力区之间圆滑过渡。
14.本发明的冲击式水轮机水斗根部造型方法，首先将水斗根部区域分为高应力区和一般应力区，在高应力区添加辅助截面及控制线，通过曲线组或曲线网格构建削顶的马鞍型减应力结构，在一般应力区通过变半径的倒圆方式与水斗根部的正、背面相连，最后通过
桥接曲面的方式将一般应力区和高应力区进行桥接，使其各个曲面之间圆滑过渡。
15.本发明根据水斗根部应力分布情况将水斗根部人为划分成两部分高应力区和一般应力区，在水斗根部高应力区采用削顶的马鞍型减应力结构。削顶的马鞍型减应力结构相当于削去圆柱形结构的顶部，可有效降低水斗高应力区的应力水平。在一般应力区构建圆柱面，再通过变半径的倒圆方式与水斗根部的正、背面相连，结构简单。
16.本发明的操作性、通用性较强，能够适用于各种容量、各种水头的冲击式机组；造型简单，大大减少水斗的开发周期。
17.作为本发明的优选方案，构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线，马鞍形减应力结构的截面顶部的曲率大于构建马鞍形减应力结构前圆柱形水斗根部的截面顶部曲率。第一种形式的马鞍形减应力结构中，削顶
18.马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线，但其曲率较大，相对于圆柱5形结构，其顶部仍削去部分结构。
19.作为本发明的优选方案，构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为直线。
20.第二种形式的马鞍形减应力结构中，削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为直线，相对于圆柱形结构，第二种马鞍形剪应力结构削去了顶部。
21.作为本发明的优选方案，构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向下0凹陷的弧线。第三种形式的马鞍形减应力结构中，削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向下凹陷的弧线，相对于圆柱形结构，第三种马鞍形剪应力结构削去了较多的顶部部分。
22.作为本发明的优选方案，构建的马鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。
23.构建三种马鞍形剪应力结构时，需使鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。5即曲线组或曲线网格全域为圆弧，从而构建马鞍形剪应力结构既有效降低水斗高应力区的应力水平，又使减应力区域与其他区域圆滑过渡，通过一次性曲线组或曲线网格构建，避免了单独进行圆滑过渡设计的步骤。
24.作为本发明的优选方案，在一般应力区内通过倒圆方式与水斗根部的正、背面相连时，采用变半径的倒圆方式。
25.0一种冲击式水轮机水斗根部结构，包括高应力区和一般应力区，高应力区为削顶的马鞍型减应力结构，一般应力区通过变半径的倒圆与水斗根部的正、背面相连。
26.本发明根据水斗根部应力分布情况将水斗根部人为划分成两部分高应力区和一般应力区，水斗根部高应力区为削顶的马鞍型减应力结构。削顶的马鞍型减应力结构相当于削去圆柱形结构的顶部，可有效降低水斗高应力区的应力水平。在一般应力区构建圆柱面，再通过变半径的倒圆方式与水斗根部的正、背面相连，结构简单。
27.作为本发明的优选方案，所述马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线或为直线或为向下凹陷的弧线；当马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线时，马鞍形减应力结构的截面顶部的曲率大于构建马鞍形减应力结构前圆柱形水斗根部的截面顶部曲率。
28.作为本发明的优选方案，马鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。构建三种马鞍形剪应力结构时，需使鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。即曲线组或曲线网格全域为圆弧，从而构建马鞍形剪应力结构既有效降低水斗高应力区的应力水平，又使减应力区域与其他区域圆滑过渡，通过一次性曲线组或曲线网格构建，避免了单独进行圆滑过渡
设计的步骤。
29.作为本发明的优选方案，马鞍型减应力结构与一般应力区通过桥接曲面进行桥接，使马鞍型减应力结构与一般应力区之间圆滑过渡。
30.本发明的有益效果为：
31.1.本发明根据水斗根部应力分布情况将水斗根部人为划分成两部分高应力区和一般应力区，在水斗根部高应力区采用削顶的马鞍型减应力结构。削顶的马鞍型减应力结构相当于削去圆柱形结构的顶部，可有效降低水斗高应力区的应力水平。
32.2.在一般应力区构建圆柱面，再通过变半径的倒圆方式与水斗根部的正、背面相连，结构简单。
33.3.构建马鞍形剪应力结构时，需使鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。即曲线组或曲线网格全域为圆弧，从而构建马鞍形剪应力结构既有效降低水斗高应力区的应力水平，又使减应力区域与其他区域圆滑过渡，通过一次性曲线组或曲线网格构建，避免了单独进行圆滑过渡设计的步骤。
34.4.本发明的操作性、通用性较强，能够适用于各种容量、各种水头的冲击式机组；造型简单，大大减少水斗的开发周期。
附图说明
35.图1是本发明的方法流程图；
36.图2是水斗根部区域划分示意图；
37.图3是马鞍型减应力结构的结构示意图；
38.图4是传统高应力区圆柱截面与本发明的马鞍型减应力结构截面的对比图；
39.图5是桥接后的水斗结构示意图；
40.图6是传统的水斗根部造型方法流程图；
41.图7是采用传统造型方式的水斗结构示意图；
具体实施方式
42.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
43.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
44.实施例1：
45.如图1～图5所示，本实施例的冲击式水轮机水斗根部造型方法，包括以下步骤：
46.s1：根据传统的水斗根部造型方法，水斗根部的中部与两侧均采用圆柱面与水斗曲面过渡连接，得到水斗根部的基础结构；基础结构如图7所示；
47.s2：对水斗施加边界条件和载荷，利用商业软件进行有限元求解，并提取应力结果；
48.s3：根据应力结果，将水斗根部划分成中部的高应力区和两侧一般应力区；应力区划分如图2所示；
49.s4：在高应力区添加辅助截面及控制线，通过曲线组或曲线网格构建削顶的马鞍型减应力结构；马鞍型减应力结构如图3和图4所示；
50.s5：在一般应力区内通过变半径倒圆方式与水斗根部的正、背面相连；
51.s6：将马鞍型减应力结构与一般应力区通过桥接曲面的方式进行桥接，使马鞍型减应力结构与一般应力区之间圆滑过渡，桥接后的水斗结构如图5所示。
52.本发明的冲击式水轮机水斗根部造型方法，首先将水斗根部区域分为高应力区和一般应力区，在高应力区添加辅助截面及控制线，通过曲线组或曲线网格构建削顶的马鞍型减应力结构，在一般应力区通过变半径的倒圆方式与水斗根部的正、背面相连，最后通过桥接曲面的方式将一般应力区和高应力区进行桥接，使其各个曲面之间圆滑过渡。
53.本发明根据水斗根部应力分布情况将水斗根部人为划分成两部分高应力区和一般应力区，在水斗根部高应力区采用削顶的马鞍型减应力结构。削顶的马鞍型减应力结构相当于削去圆柱形结构的顶部，可有效降低水斗高应力区的应力水平。在一般应力区构建圆柱面，再通过变半径的倒圆方式与水斗根部的正、背面相连，结构简单。
54.本发明的操作性、通用性较强，能够适用于各种容量、各种水头的冲击式机组；造型简单，大大减少水斗的开发周期。
55.具体地，如图4所示，削顶马鞍形减应力结构有三种形式。
56.第一种结构形式：构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线，马鞍形减应力结构的截面顶部的曲率大于构建马鞍形减应力结构前圆柱形水斗根部的截面顶部曲率。第一种形式的马鞍形减应力结构中，削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线，但其曲率较大，相对于圆柱形结构，其顶部仍削去部分结构。
57.第二种结构形式：构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为直线。第二种形式的马鞍形减应力结构中，削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为直线，相对于圆柱形结构，第二种马鞍形剪应力结构削去了顶部。第三种结构形式：构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向下凹陷的弧线。
58.第三种形式的马鞍形减应力结构中，削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向下凹陷的弧线，相对于圆柱形结构，第三种马鞍形剪应力结构削去了较多的顶部部分。
59.需要注意的是，构建三种马鞍形剪应力结构时，需使鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。即曲线组或曲线网格全域为圆弧，从而构建马鞍形剪应力结构既有效降低水斗高应力区的应力水平，又使减应力区域与其他区域圆滑过渡，通过一次性曲线组或曲线网格构建，避免了单独进行圆滑过渡设计的步骤。
60.实施例2：
61.如图2～图5所示，本实施例的冲击式水轮机水斗根部结构，包括高应力区和一般应力区，高应力区为削顶的马鞍型减应力结构，一般应力区通过变半径的倒圆与水斗根部的正、背面相连。
62.高应力区和一般应力区的划分依据：根据传统的水斗根部造型方法，水斗根部的
中部与两侧均采用圆柱面与水斗曲面过渡连接，得到水斗根部的基础结构。对水斗根部基础结构施加边界条件和载荷，利用商业软件进行有限元求解，并提取应力结果。根据应力结果，将水斗根部划分成中部的高应力区和两侧一般应力区。
63.本发明根据水斗根部应力分布情况将水斗根部人为划分成两部分高应力区和一般应力区，水斗根部高应力区为削顶的马鞍型减应力结构。削顶的马鞍型减应力结构相当于削去圆柱形结构的顶部，可有效降低水斗高应力区的应力水平。在一般应力区构建圆柱面，再通过变半径的倒圆方式与水斗根部的正、背面相连，结构简单。
64.所述马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线或为直线或为向下凹陷的弧线；当马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线时，马鞍形减应力结构的截面顶部的曲率大于构建马鞍形减应力结构前圆柱形水斗根部的截面顶部曲率。
65.马鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。构建三种马鞍形剪应力结构时，需使鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。即曲线组或曲线网格全域为圆弧，从而构建马鞍形剪应力结构既有效降低水斗高应力区的应力水平，又使减应力区域与其他区域圆滑过渡，通过一次性曲线组或曲线网格构建，避免了单独进行圆滑过渡设计的步骤。
66.在一般应力区用通过变半径的倒圆方式与水斗根部的正、背面相连。马鞍型减应力结构与一般应力区通过桥接曲面的方式桥接，使马鞍型减应力结构与一般应力区之间圆滑过渡。
67.本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种冲击式水轮机水斗根部造型方法，其特征在于：包括以下步骤：水斗根部的中部与两侧均采用圆柱面与水斗曲面过渡连接，得到水斗根部的基础结构；对水斗施加边界条件和载荷，对水斗进行有限元求解，并提取应力结果；根据应力结果，将水斗根部划分成中部高应力区和两侧一般应力区；在高应力区添加辅助截面及控制线，通过曲线组或曲线网格构建削顶的马鞍型减应力结构；在一般应力区内通过倒圆方式与水斗根部的正、背面相连；将马鞍型减应力结构与一般应力区通过桥接曲面的方式进行桥接，使马鞍型减应力结构与一般应力区之间圆滑过渡。2.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机水斗根部造型方法，其特征在于：构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线，马鞍形减应力结构的截面顶部的曲率大于构建马鞍形减应力结构前圆柱形水斗根部的截面顶部曲率。3.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机水斗根部造型方法，其特征在于：构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为直线。4.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机水斗根部造型方法，其特征在于：构建的削顶马鞍形减应力结构的截面顶部为向下凹陷的弧线。5.根据权利要求2～4任意一项所述的一种冲击式水轮机水斗根部造型方法，其特征在于：构建的马鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。6.根据权利要求1所述的一种冲击式水轮机水斗根部造型方法，其特征在于：在一般应力区内通过倒圆方式与水斗根部的正、背面相连时，采用变半径的倒圆方式。7.由权利要求1所述的造型方法得到的一种冲击式水轮机水斗根部结构，其特征在于：包括中部的高应力区和两侧的一般应力区，高应力区为削顶的马鞍型减应力结构，一般应力区通过变半径的倒圆与水斗根部的正、背面相连。8.根据权利要求7所述的一种冲击式水轮机水斗根部结构，其特征在于：5所述马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线或为直线或为向下凹陷的弧线；当马鞍形减应力结构的截面顶部为向上凸起的弧线时，马鞍形减应力结构的截面顶部的曲率大于构建马鞍形减应力结构前圆柱形水斗根部的截面顶部曲率。9.根据权利要求7所述的一种冲击式水轮机水斗根部结构，其特征在于：0马鞍形减应力结构的顶部与侧面圆滑过渡。10.根据权利要求7所述的一种冲击式水轮机水斗根部结构，其特征在于：马鞍型减应力结构与一般应力区通过桥接曲面进行桥接。

技术总结
本发明属于水轮机技术领域，特别涉及一种冲击式水轮机水斗根部造型方法及结构。本发明的造型方法包括以下步骤：水斗根部的中部与两侧均采用圆柱面与水斗曲面过渡连接；施加边界条件和载荷，对水斗进行有限元求解；根据应力结果，将水斗根部划分成中部的高应力区和两侧一般应力区；在高应力区添加辅助截面及控制线，通过曲线组或曲线网格构建削顶的马鞍型减应力结构；在一般应力区内通过倒圆方式与水斗根部的正、背面相连；将马鞍型减应力结构与一般应力区的圆柱面通过桥接曲面的方式进行桥接。本发明提供了一种可有效降低水斗根部高应力区的应力水平，且增强其通用性和操作性以减少水斗的开发周期的冲击式水轮机水斗根部造型方法及结构。型方法及结构。型方法及结构。


技术研发人员：吕博儒 凡家异 宋敏 熊建军 何启源 周恒特 周俊鹏 刘辉 熊欣 程猛 邵何锡 刘礼政
受保护的技术使用者：东方电气集团东方电机有限公司
技术研发日：2023.01.05
技术公布日：2023/5/13