基本信息
- 项目名称：
- 基于CAX技术的冲击式水轮机转轮研制
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 冲击式水轮机是水力发电的四大机型之一，由于其适用于水头高、无需修建大坝，淹没少，对环境的破坏小，在某些特定环境下具有其他机型无法比拟的优点，特别适用于偏远山区和风景名胜区的水力资源开发。 转轮是冲击式水力发电厂的关键部件，其功能是将水流的动能转换为机械能，其效率的高低和安全性是衡量水力发电机组的关键技术指标，研制水力性能优、可靠性高的冲击式水轮机转轮是用户的需求、企业面临的巨大挑战和研究人员的工作目标。但由于冲击式水轮机转轮是在轮毂上装有20～25个曲面水斗，其曲面形状非常复杂 目前国内企业研制的转轮主要是利用国外80年代的模型转轮型线为基础，采用整体铸造、人工打磨的工艺进行研制。发达国家在2004年研制成功了整体锻造、数控加工工艺研制冲击式水轮机转轮。国内30MW以上的冲击式水轮机组都引进国外转轮。由于没有高性能、可靠性高的转轮，使国内企业在大型冲击式水力发电项目中处于不利的位置。 本课题CAD/CAM/CAE/CFD技术进行一体化计算，根据电站的水力参数，利用流体力学理论，研究水流在冲击转轮的过程中，水流在转轮内的流动规律和水流对转轮工作面和背面的作用力变化规律，分析射流在冲击转轮后的干涉的基础上研究高性能的冲击式水轮机模型转轮，利用CAD软件构建转轮的三维实体模型；利用CAM、CAE软件对构建的三维设计模型进行数控加工过程仿真和转轮的刚、强度分析。利用分析的结果，对转轮的结构进行修改，直到获得水力性能、结构可靠性、可制造性等各个方面都较优的转轮。 本课题将CAD/CAM/CAE/CFD技术进行有机结合，以影响装备性能的关键部件为研究对象，寻找影响关键部件的性能的关键因素，开发具有自主知识产权的高性能的装备的一次尝试，代表产品开发的方向，具有非常好的推广应用前景。
- 详细介绍：
- 项目概述 冲击式水轮机是水力发电的四大机型之一，由于其适用于水头高、无需修建大坝，淹没少，对环境的破坏小，在某些特定环境下具有其他机型无法比拟的优点，特别适用于偏远山区和风景名胜区的水力资源开发。 转轮是冲击式水力发电厂的关键部件，其功能是将水流的动能转换为机械能，其效率的高低和安全性是衡量水力发电机组的关键技术指标，研制水力性能优、可靠性高的冲击式水轮机转轮是用户的需求、企业面临的巨大挑战和研究人员的工作目标。但由于冲击式水轮机转轮是在轮毂上装有20~25个曲面水斗，其曲面形状非常复杂，目前国内企业研制的转轮主要是利用国外80年代的模型转轮型线为基础，采用整体铸造、人工打磨的工艺进行研制。发达国家在2004年研制成功了整体锻造、数控加工工艺研制冲击式水轮机转轮。国内30MW以上的冲击式水轮机组都引进国外转轮。由于没有高性能、可靠性高的转轮，、使国内企业在大型冲击式水力发电项目中处于不利的位置。本课题CAD/CAM/CAE/CFD技术进行一体化，根据电站的水力参数，利用计算流体力学理论，研究水流在冲击转轮的过程中，水流在转轮内的流动规律和水流对转轮工作面和背面的作用力变化规律、分析射流在冲击转轮后的干涉的基础上研究高性能的冲击式水轮机模型转轮，利用CAD软件构建转轮的三维实体模型；利用CAM、CAE软件对构建的三维设计模型进行数控加工过程仿真和转轮的刚、强度分析。利用分析的结果，对转轮的结构进行修改，直到获得水力性能、结构可靠性、可制造性等各个方面都较优的转轮。 本课题将CAD/CAM/CAE/CFD技术进行有机结合，以影响装备性能的关键部件为研究对象，寻找影响关键部件的性能的关键因素，开发具有自主知识产权的高性能的装备的一次尝试，代表产品开发的方向，具有非常好的推广应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目 1、开发具有自主知识产权、高性能的冲击式水轮机转轮； 2、开发整体锻造、数控加工冲击式水轮机转轮的新工艺； 主要创新点： 1．利用计算流体力学理论，研究影响冲击式水轮机组性能的主要因素。研究水流在冲击式水轮机的管内流动，自由射流以及水斗内部绕流等的各种流动机理及其对能量转换特性的影响； 2．以CFD技术进行数值解析为主，结合模型试验的研究方法是进行高性能、具有自主知识产权水轮机转轮研究的一种行之有效的方法；缩短了新型转轮的研发周期。 3．基于CAD/CAM/CAE/CFD集成化技术，进行复杂产品的研制。对产品研制中的技术难题，将难题进行分解，通过多学科的综合，从解决每个难点开始，最后解决整个问题。冲击式水轮机转轮的数控加工，表面上看是一个加工问题，实质上涉及到结构设计、有限元分析、优化设计、振动、计算流体动力学等学科的问题。只有通过对各个学科的集成才能解决这个问题。 4．研究冲击式水轮机转轮制造新工艺。目前国内通过铸造、人工打磨冲击式水轮机转轮制造工艺，改变为通过锻造毛坯、数控加工转轮的制造工艺。提高产品制造精度和可靠性。 5．利用CAE技术，实现复杂产品制造过程中的工艺优化。 技术关键 1．冲击式水轮机转轮数控加工工艺仿真； 2．基于CAD/CAM/CAE/CFD一体化技术的冲击式水轮机转轮结构优化； 3．冲击式水轮机转轮加工工艺优化。 主要技术指标 1．转轮的效率：超过91.5%； 2．转轮的使用寿命：100000 小时。
科学性、先进性
- 本课题将CAD/CAM/CAE/CFD技术进行一体化，根据机组性能要求，按照传统的设计理论，设计转轮的结构，建立转轮的3D数字化模型；利用CAM技术，对转轮进行数控加工工艺仿真，寻找不能加工的区域与特征，从制造角度提出转轮结构修改方案；对修改后的结构进行CAE、CFD分析，分析修改后的结构对转轮的水力性能和结构刚、强度的变化情况，提出结构修改方案；对修改方案进行数控加工过程仿真。直到获得水力性能、结构可靠性、可制造性等各个方面都较优的产品
获奖情况及鉴定结果
- 本作品是在重庆市经委、重庆市教委的“产、学、研”创新平台项目“冲击式水轮机转轮研制”的资助下完成的。为企业开发的转轮已应用在国外某项目中（该项目的合同金额为350万美元），为企业带来了非常可观的经济效益。
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 技术入股、专利转让
作品可展示的形式
- 实物 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势 1、转轮水力性能：发达国家冲击式水轮机转轮的模型效率最高为91.5%，开发的模型转轮（四喷嘴机组）的效率为91.75%。达到、甚至超过国外模型转轮的最高效率。 2、整锻、数控加工转轮的研制：课题组完成整锻、数控加工模型转轮的工艺研究，并加工了模型转轮。 1、经济效益 1）目前，国内高水头、大容量的冲击式水轮发电机组几乎采用进口设备或转轮采用进口，根本原因是目前国内的转轮效率和工艺水平较低、不能制造整体缎造毛坯、数控加工的转轮。 2）国内投入运行的机组改造产生的效益。 3）企业获得高水头、大型冲击式水轮发电机组项目产生的经济效益。 2、社会效益 1）研究具有自主知识产权的冲击式水轮机模型转轮。 2）研制国内首个具有自主知识产权、采用整体锻造毛坯、数控加工的冲击式水轮机转轮。 3）企业获得国外项目，国内超高水头、大容量冲击式水轮发电机组的技术保障。 4）为企业在冲击式水轮发电机组研制领域提供核心技术，缩短与发达国家的差距，技术水平与发达国家水平相当。
同类课题研究水平概述
- 在某些区域和参数段，冲击式水轮机具有其他类型的水轮机无法比拟的优势，电站的建设无需巨型大坝，适用于高水头，而且发电需要的流量也较小，对环境影响非常小。世界性的对冲击式水轮机的应用始于上世纪二十年代，其最大单机功率从75MW发展到如今的400—500MW，单机出力和使用水头的极限己经达到了新的水平，比如瑞士Bieudron电站，其进水头为1869m，单机容量达到423MW。最近几年，我国冲击式水轮发电机组的建设在水头、容量等获得了非常大的进步，建设了亚洲最高水头（设计水头1175m）的四川苏巴姑电站和最大单机功率（单机功率为140MW）的四川省雅安市石棉县境内大渡河中游的金窝水电站；水轮机组的喷嘴数从单喷嘴发展到六喷嘴。 由于混流式、轴流式水轮的过流能力强，单机功率大，制造企业、科研院所将研究工作的重点放在研究高性能的混流式、轴流式模型转轮和提高混流式、轴流式水轮机组的可靠性上，使得冲击式水轮机的研究没有得到足够的重视，使国内企业研制的冲击式水轮机组在水力性能、转轮的制造工艺、机组的动力学性能、关键部件的可靠性等方面与发达国家相比存在较大的差距。主要体现在：（1）缺乏具有自主知识产权的高性能的模型转轮；（2）转轮制造工艺比较落后，发达国家已经研制成功整体缎造、数控加工的工艺，国内主要采用铸造毛坯、人工打磨的工艺；（3）过流部件的水力性能较差。由于上述原因，使得国内企业在与国外企业进行项目竞争中处于非常不利的位置，为了获得项目，国内企业只能与国外企业合作，通过购买转轮或国外企业提供转轮并进行过流部件设计等方式。具体表现在：云南滇能赛珠电站，四川省石棉县境内的仁宗海、金窝发电站等采用维奥公司进口转轮；国内最大的冲击式水轮机组的过流部件（进水环管、喷嘴等）由维奥公司负责设计，转轮由维奥公司提供；这些项目的共同特点是高附加值、核心技术由国外公司负责提供，国内企业只进行常规部件的制造，通过这些项目的合作，并没有从根本上提高国内企业的技术水平和掌握冲击式水轮机的关键技术，加大了电站的投资规模，使国内企业在竞争中处于非常不利的位置。开发高性能、具有自主知识产权的冲击式水轮机的核心技术是制造企业面临的技术难题。 本项目开发的水轮机转轮其水力性能、可靠性均达到国际先进水平，增强了冲击式水轮机制造企业的核心竞争力。
