大型水電機(jī)組結(jié)構(gòu)優(yōu)化選型與整體布局設(shè)計(jì)研究.pdf

1、大型水電機(jī)組的單機(jī)容量已達(dá)到700MW，結(jié)構(gòu)尺寸越來(lái)越大，部件重量越來(lái)越重，而剛強(qiáng)度性能相對(duì)減弱。保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、降低制造成本成為機(jī)組設(shè)計(jì)中更加突出的問(wèn)題，能否找到一種布局佳、受力好、重量輕的部件設(shè)計(jì)，一直是設(shè)計(jì)人員夢(mèng)寐以求的目標(biāo)。開(kāi)展水電機(jī)組結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化選型設(shè)計(jì)，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式和機(jī)組整體布局，無(wú)疑是推進(jìn)這一工作最有力的方法和手段，已成為提高目前水電機(jī)組設(shè)計(jì)水平的一個(gè)重要研究課題，具有重要的學(xué)術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 結(jié)構(gòu)的選型優(yōu)

2、化是一個(gè)世界性的前沿課題，目前還沒(méi)有可行的解決方法。本文使用結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度有限元分析對(duì)比方法，運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化綜合技術(shù)，通過(guò)對(duì)水電機(jī)組主要部件的剛強(qiáng)度對(duì)比和主要影響因素分析、優(yōu)化選型和整體布局的設(shè)計(jì)分析，提出了定性和定量的優(yōu)化選型設(shè)計(jì)方法，并得出如下的主要結(jié)論：1機(jī)組部件結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度性能對(duì)比和主要影響因素分析。大量分析對(duì)比了幾個(gè)有代表性的由國(guó)內(nèi)外不同公司所設(shè)計(jì)的機(jī)組部件的剛強(qiáng)度性能，找出了國(guó)內(nèi)外不同公司在同一構(gòu)件設(shè)計(jì)上存在的差異和導(dǎo)致這種差異的原

3、因，指出了頂蓋、承重機(jī)架和定子機(jī)座設(shè)計(jì)的主要矛盾是剛度問(wèn)題，而蝸殼座環(huán)的設(shè)計(jì)主要是強(qiáng)度問(wèn)題。從結(jié)構(gòu)拓?fù)?，幾何形狀、板厚尺?個(gè)方面對(duì)水電機(jī)組4個(gè)部件--頂蓋、蝸殼座環(huán)、承重機(jī)架和軸系剛強(qiáng)度主要因素進(jìn)行了全面系統(tǒng)分析，找到了影響機(jī)組部件剛強(qiáng)度的主要因素，得到了這些部件全新的、深刻的認(rèn)識(shí)，并給出了頂蓋、蝸殼座環(huán)、承重機(jī)架優(yōu)化型的結(jié)構(gòu)型式。 2結(jié)構(gòu)的選型優(yōu)化分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了一種能定量地描述結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化選型的方法--靈敏度分析、

4、參數(shù)研究、變量分析和參數(shù)化建模技術(shù)。通過(guò)變量分析做出的靈敏度圖譜，可分析出主參數(shù)，進(jìn)而給出設(shè)計(jì)師們所需要的設(shè)計(jì)曲線，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供直接的參考數(shù)據(jù)。參數(shù)化建模技術(shù)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析過(guò)程的自動(dòng)化。以I-DEASTMMasterSeries7.0分析軟件為依托，開(kāi)發(fā)了尺寸優(yōu)化、幾何形狀優(yōu)化以及將尺寸和形狀聯(lián)合進(jìn)行優(yōu)化的功能，給出了4個(gè)有代表性水電機(jī)組結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例，并取得了明顯的效果。 3結(jié)構(gòu)的選型優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)水輪機(jī)蝶閥活門(mén)和水

5、壓試驗(yàn)悶頭進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，提出了2個(gè)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。大型蝶閥采用4筋板桁架結(jié)構(gòu)型式，剛強(qiáng)度和水力性能好，結(jié)構(gòu)重量輕，水壓試驗(yàn)悶頭為球殼型設(shè)計(jì)。推廣應(yīng)用到30多臺(tái)水輪機(jī)蝶閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，取得了2千多萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪提出用帶有專(zhuān)家智能性的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序和方法，分析了影響轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度性能的各種因素，總結(jié)出轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度性能的改善途徑，并提出了改變上冠、下環(huán)和葉片的局部厚度和補(bǔ)強(qiáng)三角塊來(lái)施行優(yōu)化的策略。 4水電機(jī)組整體布局優(yōu)化設(shè)計(jì)。比較

6、分析了國(guó)內(nèi)外一些水電機(jī)組整體布局方案，指出國(guó)內(nèi)所設(shè)計(jì)的機(jī)組布局存在廠房高，機(jī)組布置松散，缺乏整體優(yōu)化設(shè)計(jì)理念等問(wèn)題。對(duì)半傘式3導(dǎo)軸承的水輪發(fā)電機(jī)組的總體布置方案——下機(jī)架方案(推力軸承放置在下機(jī)架上)和推力支架方案(推力軸承放在頂蓋上)的剛強(qiáng)度、制造成本、機(jī)組穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析，指出2種方案均是可行的，各有優(yōu)勢(shì)。以水口機(jī)組軸系的整體布置與優(yōu)化為例，從導(dǎo)軸承的數(shù)量、支承剛度，軸的直徑，軸系振型，平衡精度等方面對(duì)軸系布局的影響進(jìn)行了分析研