技術研發 Technical R&D

杭州力源發電設備有限公司成立于2003年，是一家國有控股企業，專業從事水電站水輪發電機組新技術研發、設計、制造和售后服務。

公司為省高新技術企業，擁有省級研發中心。該中心與清華大學的合作平臺為“清華大學—力源水電水輪發電機組技術聯合研究中心”，是清華大學熱能工程系流體機械及工程研究所的主要組成部分。

公司注重技術研發和自主知識產權的保護，至2014年底，公司已經完成了81項，高性能轉輪的水力設計技術開發，其中28項已完成模型試驗驗收，20項已在水電站項目上應用，其綜合性能均達到了國際先進水平。已完成多項科技研發和成果轉化項目，獲授權專利48項，其中包括“一種采用新型導葉和轉輪葉片型線的混流式水輪機”、“應用于水輪機的高強度調質特厚S500Q鋼板的焊接工藝”等發明專利5項。開發并應用了128個軟件包，其中與清華大學合作開發的大型立式發電機通風計算軟件包具有國際領先水平。

ANSYS CFD轉輪及流道的開發和優化

取水輪機整體流道作為計算域，將計算域分為蝸殼和固定導葉段，活動導葉段、轉輪段以及尾水管段（如下圖）。計算過程對流項及擴散項的離散均選擇High Resolution高階精度格式。定常計算的時間離散方法設置為固定時步，根據轉速值計算的值，時步設置略小于該值。收斂精度準則設置為10-4。

對參考水力模型進行不同導葉開度，不同單位轉速下的全流道數值計算。分析水輪機效率及各過流部件的損失，確定需要進行優化設計的部件。通過分析流道形狀變化對能量性能、空化性能和穩定性的影響，達到優化設計的目的。右圖是轉輪優化，通過調整葉片型線、包角和進出口角，以降低轉輪的效率損失。

為了全面分析各個部分流道內的流動狀態，計算了蝸殼、座環和活動導葉流動中心面的壓力分布云圖，速度分布云圖；轉輪內的壓力分布，流線分布；轉輪內不同部分S1流面的流線分布；尾水管內的速度分布云圖，壓力分布云圖及尾水管內的流線分布。

最后進行活動導葉各開度線的多個水頭下流態的計算及性能分析，計算出預測轉輪的能量性能曲線，完成新的水力設計技術開發。

ANSYS 轉輪葉片強度及動態特性分析

對水輪機真機進行多工況穩態與暫態內部流動分析，轉輪的靜、動應力特性分析，根據多項結果綜合分析，對機組進行結構優化設計，使機組運行安全穩定。

1、轉輪模態分析

2、基于流固耦合的轉輪葉片結構強度分析

在葉片靜強度分析中，分別建立流場和結構場兩個物理場，流場計算結果中的水壓力通過流固交界面傳遞給結構場，作為結構場分析計算的載荷條件；同時結構分析結果中的邊界位移也可以通過交界面傳遞給流場，從而引起流場域網格的變形，以進行新的流場計算；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 大型立式發電機通風系統研究

一、大型立式水輪發電機通風計算分析

應用該研究成果，可以對發電機的通風進行CFD仿真計算，得到流場的風量分布和各通風流道的風速、風壓，通過對上述結果的分析，優化通風結構，以達到機組要求的風量以及合理的風路循環與風量分配。

二、大型立式水輪發電機溫度場計算分析

應用該研究成果，使用Workbench平臺對發電機進行流熱耦合計算；對轉子與定子進行溫度場計算，得到溫升數據后進行分析，合理優化，獲得一個溫度分布合理、并具有高性價比的電機設計方案。

ANSYS Mechanical 機械及力學結構分析

一、水輪機主要受力結構件的有限元計算

采用ANSYS Mechanical進行結構靜力學分析，計算應力和變形，并對結構進行優化設計，使其結構合理，應力峰值和變形量控制在合理范圍內。計算結果均已在電站真機上得到驗證。

二、發電機上、下機架的應力及剛度計算

上、下機架采用ANSYS Mechanical進行結構靜力學分析，計算應力和變形，根據計算結果對結構進行優化，使其結構合理，計算結果均已在電站真機上得到驗證。

三、上機架與機座聯合作用的應力及剛度計算

在對已運行機組調查分析的基礎上，根據上機架支撐方式設計了上機架與機座聯合作用的有限元分析計算模式，對上機架與機座聯合作用的應力和剛度進行分析計算，提高了設計的可靠性。

四、轉子支架過盈配合計算

采用ANSYS結構非線性模塊中的接觸分析，對轉子支架的過盈配合進行仿真計算，得到過盈量產生的接觸面壓力、支架應力與變形等。通過此仿真分析結果，根據接觸面壓力值對轉子支架過盈量進行優化，確保滿足轉子支架與主軸過盈配合合理；確保滿足機組在額定工況穩定運行；確保滿足在飛逸工況下轉子支架不發生滑動與脫離。

ANSYS Mechanical 機組軸系動力學分析

采用ANSYS Mechanical轉子動力學模塊中的模態分析，對機組軸系進行動力學分析，計算軸系臨界轉速，避免機組飛逸轉速接近臨界轉速而引起共振，保證機組穩定運行。

ANSYS Mechanical 熱彈變形計算

發電機小彈簧結構推力軸承計算

清華－力源聯合研究中心開發的發電機小彈簧結構推力軸承計算程序，針對大負荷小彈簧結構推力軸承的工作特性，進行參數分析計算，輸出軸瓦應力與變形，油膜溫度、壓力以及厚度的等值線圖。