技術(shù)研發(fā) Technical R&D

杭州力源發(fā)電設(shè)備有限公司成立于2003年，是一家國有控股企業(yè)，專業(yè)從事水電站水輪發(fā)電機(jī)組新技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和售后服務(wù)。

公司為省高新技術(shù)企業(yè)，擁有省級(jí)研發(fā)中心。該中心與清華大學(xué)的合作平臺(tái)為“清華大學(xué)—力源水電水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)聯(lián)合研究中心”，是清華大學(xué)熱能工程系流體機(jī)械及工程研究所的主要組成部分。

公司注重技術(shù)研發(fā)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，至2014年底，公司已經(jīng)完成了81項(xiàng)，高性能轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)，其中28項(xiàng)已完成模型試驗(yàn)驗(yàn)收，20項(xiàng)已在水電站項(xiàng)目上應(yīng)用，其綜合性能均達(dá)到了國際先進(jìn)水平。已完成多項(xiàng)科技研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，獲授權(quán)專利48項(xiàng)，其中包括“一種采用新型導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片型線的混流式水輪機(jī)”、“應(yīng)用于水輪機(jī)的高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)特厚S500Q鋼板的焊接工藝”等發(fā)明專利5項(xiàng)。開發(fā)并應(yīng)用了128個(gè)軟件包，其中與清華大學(xué)合作開發(fā)的大型立式發(fā)電機(jī)通風(fēng)計(jì)算軟件包具有國際領(lǐng)先水平。

ANSYS CFD轉(zhuǎn)輪及流道的開發(fā)和優(yōu)化

取水輪機(jī)整體流道作為計(jì)算域，將計(jì)算域分為蝸殼和固定導(dǎo)葉段，活動(dòng)導(dǎo)葉段、轉(zhuǎn)輪段以及尾水管段（如下圖）。計(jì)算過程對(duì)流項(xiàng)及擴(kuò)散項(xiàng)的離散均選擇High Resolution高階精度格式。定常計(jì)算的時(shí)間離散方法設(shè)置為固定時(shí)步，根據(jù)轉(zhuǎn)速值計(jì)算的值，時(shí)步設(shè)置略小于該值。收斂精度準(zhǔn)則設(shè)置為10-4。

對(duì)參考水力模型進(jìn)行不同導(dǎo)葉開度，不同單位轉(zhuǎn)速下的全流道數(shù)值計(jì)算。分析水輪機(jī)效率及各過流部件的損失，確定需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的部件。通過分析流道形狀變化對(duì)能量性能、空化性能和穩(wěn)定性的影響，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。右圖是轉(zhuǎn)輪優(yōu)化，通過調(diào)整葉片型線、包角和進(jìn)出口角，以降低轉(zhuǎn)輪的效率損失。

為了全面分析各個(gè)部分流道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算了蝸殼、座環(huán)和活動(dòng)導(dǎo)葉流動(dòng)中心面的壓力分布云圖，速度分布云圖；轉(zhuǎn)輪內(nèi)的壓力分布，流線分布；轉(zhuǎn)輪內(nèi)不同部分S1流面的流線分布；尾水管內(nèi)的速度分布云圖，壓力分布云圖及尾水管內(nèi)的流線分布。

最后進(jìn)行活動(dòng)導(dǎo)葉各開度線的多個(gè)水頭下流態(tài)的計(jì)算及性能分析，計(jì)算出預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)輪的能量性能曲線，完成新的水力設(shè)計(jì)技術(shù)開發(fā)。

ANSYS 轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性分析

對(duì)水輪機(jī)真機(jī)進(jìn)行多工況穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)內(nèi)部流動(dòng)分析，轉(zhuǎn)輪的靜、動(dòng)應(yīng)力特性分析，根據(jù)多項(xiàng)結(jié)果綜合分析，對(duì)機(jī)組進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定。

1、轉(zhuǎn)輪模態(tài)分析

2、基于流固耦合的轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在葉片靜強(qiáng)度分析中，分別建立流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)兩個(gè)物理場(chǎng)，流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中的水壓力通過流固交界面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)場(chǎng)，作為結(jié)構(gòu)場(chǎng)分析計(jì)算的載荷條件；同時(shí)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中的邊界位移也可以通過交界面?zhèn)鬟f給流場(chǎng)，從而引起流場(chǎng)域網(wǎng)格的變形，以進(jìn)行新的流場(chǎng)計(jì)算；如此交互迭代來模擬二者的相互作用，并最后收斂到平衡的解。

ANSYS CFD 大型立式發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)研究

一、大型立式水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)計(jì)算分析

應(yīng)用該研究成果，可以對(duì)發(fā)電機(jī)的通風(fēng)進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，得到流場(chǎng)的風(fēng)量分布和各通風(fēng)流道的風(fēng)速、風(fēng)壓，通過對(duì)上述結(jié)果的分析，優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到機(jī)組要求的風(fēng)量以及合理的風(fēng)路循環(huán)與風(fēng)量分配。

二、大型立式水輪發(fā)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算分析

應(yīng)用該研究成果，使用Workbench平臺(tái)對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行流熱耦合計(jì)算；對(duì)轉(zhuǎn)子與定子進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，得到溫升數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析，合理優(yōu)化，獲得一個(gè)溫度分布合理、并具有高性價(jià)比的電機(jī)設(shè)計(jì)方案。

ANSYS Mechanical 機(jī)械及力學(xué)結(jié)構(gòu)分析

一、水輪機(jī)主要受力結(jié)構(gòu)件的有限元計(jì)算

采用ANSYS Mechanical進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，計(jì)算應(yīng)力和變形，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)合理，應(yīng)力峰值和變形量控制在合理范圍內(nèi)。計(jì)算結(jié)果均已在電站真機(jī)上得到驗(yàn)證。

二、發(fā)電機(jī)上、下機(jī)架的應(yīng)力及剛度計(jì)算

上、下機(jī)架采用ANSYS Mechanical進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，計(jì)算應(yīng)力和變形，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其結(jié)構(gòu)合理，計(jì)算結(jié)果均已在電站真機(jī)上得到驗(yàn)證。

三、上機(jī)架與機(jī)座聯(lián)合作用的應(yīng)力及剛度計(jì)算

在對(duì)已運(yùn)行機(jī)組調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)上機(jī)架支撐方式設(shè)計(jì)了上機(jī)架與機(jī)座聯(lián)合作用的有限元分析計(jì)算模式，對(duì)上機(jī)架與機(jī)座聯(lián)合作用的應(yīng)力和剛度進(jìn)行分析計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。

四、轉(zhuǎn)子支架過盈配合計(jì)算

采用ANSYS結(jié)構(gòu)非線性模塊中的接觸分析，對(duì)轉(zhuǎn)子支架的過盈配合進(jìn)行仿真計(jì)算，得到過盈量產(chǎn)生的接觸面壓力、支架應(yīng)力與變形等。通過此仿真分析結(jié)果，根據(jù)接觸面壓力值對(duì)轉(zhuǎn)子支架過盈量進(jìn)行優(yōu)化，確保滿足轉(zhuǎn)子支架與主軸過盈配合合理；確保滿足機(jī)組在額定工況穩(wěn)定運(yùn)行；確保滿足在飛逸工況下轉(zhuǎn)子支架不發(fā)生滑動(dòng)與脫離。

ANSYS Mechanical 機(jī)組軸系動(dòng)力學(xué)分析

采用ANSYS Mechanical轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模塊中的模態(tài)分析，對(duì)機(jī)組軸系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算軸系臨界轉(zhuǎn)速，避免機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速而引起共振，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

ANSYS Mechanical 熱彈變形計(jì)算

發(fā)電機(jī)小彈簧結(jié)構(gòu)推力軸承計(jì)算

清華－力源聯(lián)合研究中心開發(fā)的發(fā)電機(jī)小彈簧結(jié)構(gòu)推力軸承計(jì)算程序，針對(duì)大負(fù)荷小彈簧結(jié)構(gòu)推力軸承的工作特性，進(jìn)行參數(shù)分析計(jì)算，輸出軸瓦應(yīng)力與變形，油膜溫度、壓力以及厚度的等值線圖。