技术发展与成果展示

技术研发 Technical R&D

杭州力源发电设备有限公司成立于2003年，是一家国有控股企业，专业从事水电站水轮发电机组新技术研发、设计、制造和售后服务。

公司为省高新技术企业，拥有省级研发中心。该中心与清华大学的合作平台为“清华大学—力源水电水轮发电机组技术联合研究中心”，是清华大学热能工程系流体机械及工程研究所的主要组成部分。

公司注重技术研发和自主知识产权的保护，至2014年底，公司已经完成了81项，高性能转轮的水力设计技术开发，其中28项已完成模型试验验收，20项已在水电站项目上应用，其综合性能均达到了国际先进水平。已完成多项科技研发和成果转化项目，获授权专利48项，其中包括“一种采用新型导叶和转轮叶片型线的混流式水轮机”、“应用于水轮机的高强度调质特厚S500Q钢板的焊接工艺”等发明专利5项。开发并应用了128个软件包，其中与清华大学合作开发的大型立式发电机通风计算软件包具有国际领先水平。

ANSYS CFD转轮及流道的开发和优化

取水轮机整体流道作为计算域，将计算域分为蜗壳和固定导叶段，活动导叶段、转轮段以及尾水管段（如下图）。计算过程对流项及扩散项的离散均选择High Resolution高阶精度格式。定常计算的时间离散方法设置为固定时步，根据转速值计算的值，时步设置略小于该值。收敛精度准则设置为10-4。

对参考水力模型进行不同导叶开度，不同单位转速下的全流道数值计算。分析水轮机效率及各过流部件的损失，确定需要进行优化设计的部件。通过分析流道形状变化对能量性能、空化性能和稳定性的影响，达到优化设计的目的。右图是转轮优化，通过调整叶片型线、包角和进出口角，以降低转轮的效率损失。

为了全面分析各个部分流道内的流动状态，计算了蜗壳、座环和活动导叶流动中心面的压力分布云图，速度分布云图；转轮内的压力分布，流线分布；转轮内不同部分S1流面的流线分布；尾水管内的速度分布云图，压力分布云图及尾水管内的流线分布。

最后进行活动导叶各开度线的多个水头下流态的计算及性能分析，计算出预测转轮的能量性能曲线，完成新的水力设计技术开发。

ANSYS 转轮叶片强度及动态特性分析

对水轮机真机进行多工况稳态与暂态内部流动分析，转轮的静、动应力特性分析，根据多项结果综合分析，对机组进行结构优化设计，使机组运行安全稳定。

1、转轮模态分析

2、基于流固耦合的转轮叶片结构强度分析

在叶片静强度分析中，分别建立流场和结构场两个物理场，流场计算结果中的水压力通过流固交界面传递给结构场，作为结构场分析计算的载荷条件；同时结构分析结果中的边界位移也可以通过交界面传递给流场，从而引起流场域网格的变形，以进行新的流场计算；如此交互迭代来模拟二者的相互作用，并最后收敛到平衡的解。

ANSYS CFD 大型立式发电机通风系统研究

一、大型立式水轮发电机通风计算分析

应用该研究成果，可以对发电机的通风进行CFD仿真计算，得到流场的风量分布和各通风流道的风速、风压，通过对上述结果的分析，优化通风结构，以达到机组要求的风量以及合理的风路循环与风量分配。

二、大型立式水轮发电机温度场计算分析

应用该研究成果，使用Workbench平台对发电机进行流热耦合计算；对转子与定子进行温度场计算，得到温升数据后进行分析，合理优化，获得一个温度分布合理、并具有高性价比的电机设计方案。

ANSYS Mechanical 机械及力学结构分析

一、水轮机主要受力结构件的有限元计算

采用ANSYS Mechanical进行结构静力学分析，计算应力和变形，并对结构进行优化设计，使其结构合理，应力峰值和变形量控制在合理范围内。计算结果均已在电站真机上得到验证。

二、发电机上、下机架的应力及刚度计算

上、下机架采用ANSYS Mechanical进行结构静力学分析，计算应力和变形，根据计算结果对结构进行优化，使其结构合理，计算结果均已在电站真机上得到验证。

三、上机架与机座联合作用的应力及刚度计算

在对已运行机组调查分析的基础上，根据上机架支撑方式设计了上机架与机座联合作用的有限元分析计算模式，对上机架与机座联合作用的应力和刚度进行分析计算，提高了设计的可靠性。

四、转子支架过盈配合计算

采用ANSYS结构非线性模块中的接触分析，对转子支架的过盈配合进行仿真计算，得到过盈量产生的接触面压力、支架应力与变形等。通过此仿真分析结果，根据接触面压力值对转子支架过盈量进行优化，确保满足转子支架与主轴过盈配合合理；确保满足机组在额定工况稳定运行；确保满足在飞逸工况下转子支架不发生滑动与脱离。

ANSYS Mechanical 机组轴系动力学分析

采用ANSYS Mechanical转子动力学模块中的模态分析，对机组轴系进行动力学分析，计算轴系临界转速，避免机组飞逸转速接近临界转速而引起共振，保证机组稳定运行。

ANSYS Mechanical 热弹变形计算

发电机小弹簧结构推力轴承计算

清华－力源联合研究中心开发的发电机小弹簧结构推力轴承计算程序，针对大负荷小弹簧结构推力轴承的工作特性，进行参数分析计算，输出轴瓦应力与变形，油膜温度、压力以及厚度的等值线图。