大型水電機組結構優(yōu)化選型與整體布局設計研究.pdf

1、大型水電機組的單機容量已達到700MW，結構尺寸越來越大，部件重量越來越重，而剛強度性能相對減弱。保障機組安全穩(wěn)定運行、降低制造成本成為機組設計中更加突出的問題，能否找到一種布局佳、受力好、重量輕的部件設計，一直是設計人員夢寐以求的目標。開展水電機組結構件的優(yōu)化選型設計，提出優(yōu)化結構型式和機組整體布局，無疑是推進這一工作最有力的方法和手段，已成為提高目前水電機組設計水平的一個重要研究課題，具有重要的學術和經濟價值。 結構的選型優(yōu)

2、化是一個世界性的前沿課題，目前還沒有可行的解決方法。本文使用結構剛強度有限元分析對比方法，運用結構優(yōu)化綜合技術，通過對水電機組主要部件的剛強度對比和主要影響因素分析、優(yōu)化選型和整體布局的設計分析，提出了定性和定量的優(yōu)化選型設計方法，并得出如下的主要結論：1機組部件結構剛強度性能對比和主要影響因素分析。大量分析對比了幾個有代表性的由國內外不同公司所設計的機組部件的剛強度性能，找出了國內外不同公司在同一構件設計上存在的差異和導致這種差異的原

3、因，指出了頂蓋、承重機架和定子機座設計的主要矛盾是剛度問題，而蝸殼座環(huán)的設計主要是強度問題。從結構拓撲，幾何形狀、板厚尺寸3個方面對水電機組4個部件--頂蓋、蝸殼座環(huán)、承重機架和軸系剛強度主要因素進行了全面系統(tǒng)分析，找到了影響機組部件剛強度的主要因素，得到了這些部件全新的、深刻的認識，并給出了頂蓋、蝸殼座環(huán)、承重機架優(yōu)化型的結構型式。 2結構的選型優(yōu)化分析和優(yōu)化設計。提出了一種能定量地描述結構改進和優(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。通過變量分析做出的靈敏度圖譜，可分析出主參數(shù)，進而給出設計師們所需要的設計曲線，為結構改進提供直接的參考數(shù)據(jù)。參數(shù)化建模技術可實現(xiàn)結構優(yōu)化分析過程的自動化。以I-DEASTMMasterSeries7.0分析軟件為依托，開發(fā)了尺寸優(yōu)化、幾何形狀優(yōu)化以及將尺寸和形狀聯(lián)合進行優(yōu)化的功能，給出了4個有代表性水電機組結構件的優(yōu)化設計實例，并取得了明顯的效果。 3結構的選型優(yōu)化設計。對水輪機蝶閥活門和水

5、壓試驗悶頭進行了選型設計，提出了2個創(chuàng)新結構。大型蝶閥采用4筋板桁架結構型式，剛強度和水力性能好，結構重量輕，水壓試驗悶頭為球殼型設計。推廣應用到30多臺水輪機蝶閥的結構設計中，取得了2千多萬元的經濟效益。對混流式水輪機轉輪提出用帶有專家智能性的優(yōu)化設計程序和方法，分析了影響轉輪強度性能的各種因素，總結出轉輪強度性能的改善途徑，并提出了改變上冠、下環(huán)和葉片的局部厚度和補強三角塊來施行優(yōu)化的策略。 4水電機組整體布局優(yōu)化設計。比較

6、分析了國內外一些水電機組整體布局方案，指出國內所設計的機組布局存在廠房高，機組布置松散，缺乏整體優(yōu)化設計理念等問題。對半傘式3導軸承的水輪發(fā)電機組的總體布置方案——下機架方案(推力軸承放置在下機架上)和推力支架方案(推力軸承放在頂蓋上)的剛強度、制造成本、機組穩(wěn)定性進行了對比分析，指出2種方案均是可行的，各有優(yōu)勢。以水口機組軸系的整體布置與優(yōu)化為例，從導軸承的數(shù)量、支承剛度，軸的直徑，軸系振型，平衡精度等方面對軸系布局的影響進行了分析研