(柳州强源电力开发有限公司 广西柳州)
摘要：水轮发电机组作为水力发电的重要设备之一，近年来随着社会经济的高速发展和科学技术的进步，关于水电设备方面的研究越发的深入，制造技术越来越先进，再加上相关科学的发展，诸如计算机技术、材料科学和结构分析等，进而极大的提高了水电设备本身的可靠性与技术性。本文将对贯流式水轮机主轴的静力强度进行简单的分析，并重点介绍优化设计。
关键词：贯流式；水轮机；主轴；强度分析；优化设计
在众多具备丰富低水头水力资源的国家，从很早就开始致力于贯流式水轮发电机组的研究，国外公司在多年研究和开发的基础上，逐渐制造和设计出水平较高的贯流式水轮发电机组，为了能够在日益激烈的竞争中占领一席之地，各公司都致力于“可靠、耐用、高效、经济、好造、好看”产品的研究。尽管国外的贯流式机组技术已经相当成熟、具备较高的可靠性和先进的参数，但是我国尽管具备产大型机组的生产条件，由于实践经验的缺失，致使在起步和探索阶段停滞不前。
1主轴的静力强度分析
1.1建立主轴物理模型
采用ANSYS对主轴进行有限元分析时，需要严格遵循三大步骤，即前处理、计算以及后处理。前处理主要是以计算目的为准则，通过简化连续结构来使其成为理想化的数学模型，实际结构用离散化的网络单元所取代，通过对物理属性的附加来促进计算数据文件的形成；在完成计算以后，需要进行通过后处理来促进变形图和应力图的形成，以此可以将主轴的变形与应力分布情况准确且清晰的展现出来。
1.2主轴静力强度的计算与结果分析
在完成主轴的物理模型以后便可以将ANSYS提交并进行分析。选择分析线性静力时，基于机构具有较多的复杂节点，求解过程中可以选择PCG迭代求解器，以此会加快求解的速度。经过ANSYS的计算以后，会生产多个结果文件，而分析结果在经过后处理模块以后便可以利用多种方式准确且直接的展现出来，诸如数据报告、云图、变形图以及动画显示等。
按照von Mises应力来求解ANSYS的对应力。在材料力学当中可以将von Mises屈服条件作为一种强度理论来进行使用，其应力值主要是一个不变量，依赖于单元坐标系，是一种比较常见的应力状态，且该屈服条件的应用较为广泛，对中间主应力对屈服条件的影响均进行了充分的考虑，可应用在可延展材料失效准则中。
另外，在结构分析结果文件中可以保存精力分析结果，经过ANSYS一般结果后处理器可以得到水推力作用、转矩作用、发电机转子和水轮机转机的重力作用、主轴自身的重力作用、载荷综合作用等水轮机主轴在载荷工况下的应力分布于变形状态。
主轴上的应力在机组运行状态下是循环变化的。本次主轴静力强度分析的应力分布与变形状态主要是主轴绕自身轴线某一时刻旋转时得出的，但是主轴上某点的应力值实际上会随着主轴旋转运动周期进行变化，即应力值会随着圆周一周应力值的变化而变化，且与转动周向的位置有很大的关系。
2水轮发电机组主轴的优化设计
优化设计在一定程度上是计算机技术与最优化原理有机结合的重要产物，随着优化原理发展的日益成熟和计算机的迅速发展，在工程设计当中优化设计逐渐获得了更加广泛的应用，以此有助于人们找到最佳的设计方案，并促进设计效率和质量水平的显著提高。
2.1优化设计的步骤
2.1.1分析文件的形成
该文件的分析过程较为完整，且以下条件必须满足。
第一，参数化建立模型。在该模型中可以完成设计变量的相关工作，其初始化可以在程序当中的任何部分完成，且只有在开始进行设计计算时才用的到这些变量的初始值，在优化循环过程中可以逐渐会发生改变。
第二，求解。利用求解器可以对类型和选项进行定义性分析，通过载荷的增加和载荷步的制定有助于有限元计算的实现；制定全部能够用到的数据，如凝聚法、非线性和谐波分析中主自由度、收敛原则和频率范围，并且设计变量还包括边界条件和载荷。
第三，参数化提取结果。在提取结果的同时可以将一定的值赋予给相关的参数，且这些参数以目标函数和状态变量为主，按照GET命令可以完成数据的提取操作，本步操作的完成可以借助POSTI，尤其是那些与加减和保存数据等有关的其他操作。
第四，生成分析文件。该文件是ANSYS优化设计过程的重中之重，ANSYS程序通过对分析文件的利用可以将循环文件构造出来，以此有助于循环分析的实现，分析文件中所设计的文件类型有很多种，诸如线性和非线性，结构、电磁和热等；在分析文件中，模型的建立一定的参数化的，结果也必须利用参数来提取，优化设计中可以使用的只有数值参数。利用系统编辑器的逐行输入和交互式完成分析,可以在ANSYS的LOG文件的基础上实现对分析文件的建立。
2.1.2优化过程中参数的建立
作为一阶方法的起点--初始参数值，基于各种优化过程，参数的操作可以在数据库中的GUI下操作，以此有助于对变量进行定义与优化，而以下任一种方法都可以建立数据库参数。
第一，将与分析文件相联系的数据库文件读入，以此便于将整个模型的数据库在ANSYS中建立起来；第二，在ANSYS中直接读入分析文件进行整体分析，有助于整个数据库的重建，然而模型较大的则会消耗大量的时间；第三，在事先保存好的参数文件（保存方式主要是借助PARSAV）中读参数到ANSYS中；第四，在充分了解分析文件所包含哪些参数的基础上，对其进行重新定义。
2.1.3进入优化处理器，将分析文件指定下来
ANSYS数据库的全部参数在初次进入到优化处理器中时，会自动成为设计序列1，且假设上述参数值为设计序列。
2.1.4优化变量的声明
即将设计变量（60个以内）、状态变量（100以内）、目标函数（有且只有一个）制定下来，设计和状态变量的最大值与最小值可以进行定义，目标函数则不需要给定范围，每个变量的公差值有且只有一个，用户可以输入公差值，或者根据程序进行计算。若不存在OPVAR命令定义的参数名，则该参数可以由ANSYS数据库来进行自动定义，初始值为零；对已经定义的参数可以由用户在任意时间点重新定义，优化变量也可以删除，但并不是将参数真正删除，只是不再将其作为优化变量。
2.1.5优化工具或方法的选择
ANSYS程序所提供的优化工具和方法众多，其中单次循环是主要的默认方法，并且用户可以将ANSYS所具备的优化方法利用外部化程度来代替；优化工具主要是一种对设计空间进行处理与搜索的重要技术，基于优化的最终目标并不是求最小值，故优化工具在使用时并不用刻意指出目标函数，但是必须要将设计变量指定下来。
2.1.6优化循环控制方式的指定
每一种优化工具与方法都与特定的循环控制参数相对应，且遵循同一个路径便可以成功的设定这些控制参数。
2.1.7优化分析的进行
待设定好全部的控制选项以后，便可以进行优化分析。
第一，在执行OPEXE时，会根据分析文件自动生成优化循环文件，对于用户来说该文件具有一定的透明性，主要用于分析循环中；当循环满足收敛和中断的情况式便会自动终止，最后完成分析。
第二，受模型问题的影响，致使循环出现中断时，关于下一次循环优化处理器会自动进行，若采用交互方式，则程序会通过显示警告并询问的提示来帮助用户选择是结束还是继续进行循环，而循环若是在批处理方式下则会自动进行，NCNV命令主要是对非线性分析进行控制的，极易在优化循环中忽视；将循环中断的设计序列可以存盘，而参数数据往往会非常大，这与实际情况严重不符。
第三，在每次迭代后全部的优化变量与参数都会在优化数据文件中保存下来，这样的序列最多可以保存130组，当超过后会自动删除数据中最“不好”的序列。
2.1.8设计序列结果的查看
待结束优化循环以后便可以根据相应的命令或GUI路径来对这些设计序列进行查看，且任意一种优化方法与工具所生成的结果都可以利用这些命令，即将指定的序列号参数值列出来；将全部参数数值列出来，或者是只将其中的优化变量列出来；指定参数随序列号的变化可以直接用图显示出来，以此可以伴随迭代过程变化变化的情况。
类似于PLVAROPT与PRVAROPT操纵，参照XVAROPT中的参数设计序列可以自动完成升序排列；关于等步长的搜索可以利用OPRSW命令将结果列出来，图示结果可以采用OPLSW命令；关于乘子工具，结果的列出可以采用OPRFA命令，图示结果可以按照OPLAF命令图示；就梯度工具而言，结果的列出和图示结果可以分别采用OPRGR命令和OPLGR命令。
利用STATUS命令同样可以对数据进行优化。将本命令在优化处理器中使用，便可以得到类似于设计序列数、分析文件名、优化变化和技术等与当下优化任务相关的一些信息。通过STATUS命令便于对优化环境进行查看，验证是否需要将全部的设定都输入到优化处理器当中。
另外，用户除了希望可以对优化数据进行查看以外，还希望能够利用OSTI或POST26处理分析结果。一般在缺省情况下，最后一个设计序结果主要在Jobnma.eRST文件中保存，若在循环运行之前就将OPKEEP设定为ON，则数据库和结果文件中会同时保存最佳设计序列的数据。
2.2主轴优化
在计算水轮机组主轴优化设计之前，需要将正确且合理的优化模型建立起来，其中结构优化模型主要是由设计变量、目标函数以及约束条件组成。基于结构较为复杂且优化模型参数较多的，如果采用手工定义法则会相当复杂，然而借助ANSYS本身所具备的优化功能，可以更加方便且灵活的建立优化模型，优化结果的后处理也就简单的多，目标函数有且只能选取一个重量最消化，其他目标函数则没有选择权。
2.2.1主轴优化数学模型
优化问题的数学模型作为优化设计的基础，是一种对实际优化问题所进行的数学描述，以设计问题的相关要求与条件所建立起来的数学模型较为完备，在一定程度上直接关系到优化设计的成败。基于优化问题的计算求解完全是针对数学模型进行的，即通过优化计算所得到的最优解实际上只是数学模型的最优解。数学模型和实际问题的符合度是决定此解与实际问题要求相满足、是否是最优解的关键条件。在讲设计变量、目标函数和约束条件一一确定下来以后，便可以用一般的数学形式来表示优化设计问题；采用可行域概念可以进一步简练数学模型的表达式，且目标函数的极小化与积大化是目标函数的两种要求形式。
结构重量的最小化是主轴优化设计的目标函数，主轴内径是主要的设计变量，初值为0.25，上、下限值分别为0.45,；以设计对象应该满足的功能要求为基础来制定状态变量，关于结构优化问题需要对其强度、刚度和振动模态进行充分考虑，确保与规定要求相符合，主轴单元的设计应力应比材料许用力小，且应该尽量降低。
2.2.2主轴优化的实现
在对模块事先进行处理时需要将主轴的几何模型建立起来，划分有限元网络，将位移和载荷约束、主轴材料的特性与材料添加到边界条件中完成定义，提交并计算STATUS模块，之后在后处理模块中对单元列表进行定义并生成相应的体积表格，求和计算完成后将结果赋给参数VTOT，并对目标函数参数WT进行定义。
结束语
基于我国具备丰富的低水头水力资源，开发这种资源的优良机型当选贯流式水轮机。因此，为了实现对低水头水力资源的充分利用和满足市场的需求，强化对高性能的贯流式水轮机的研究十分有必要。
参考文献：
[1]高鸿翔. 有限元理论在灯泡贯流式水轮机主轴强度分析的应用[J]. 科技咨询导报,2007,(28).
[2]王燕,钟苏. 贯流式水轮机主轴疲劳强度分析[J]. 大电机技术,2011,(03).
[3]温艾军. 贯流式水轮机管形座强度与优化设计探讨[J]. 低碳世界,2016,(19).
[4]龙慧,黄长征,胡松喜,李锦. 灯泡贯流式水轮机座环有限元力学仿真[J]. 机电工程技术,2016,(07).
[5]朱国俊,郭鹏程,罗兴锜,齐国庆. 贯流式水轮机转轮叶片的多学科优化设计[J]. 农业工程学报,2014,(02).
[6]王兴林,宋文武. 贯流式水轮机导叶建模及应力分析[J]. 企业技术开发,2012,(29).
[7]高鸿翔,张淑红. 基于ANSYS的贯流式水轮机管形座的强度分析[J]. 创新科技,2013,(07).