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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于CAX技術(shù)的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪研制
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 沖擊式水輪機(jī)是水力發(fā)電的四大機(jī)型之一，由于其適用于水頭高、無(wú)需修建大壩，淹沒(méi)少，對(duì)環(huán)境的破壞小，在某些特定環(huán)境下具有其他機(jī)型無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū)的水力資源開(kāi)發(fā)。 轉(zhuǎn)輪是沖擊式水力發(fā)電廠的關(guān)鍵部件，其功能是將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其效率的高低和安全性是衡量水力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，研制水力性能優(yōu)、可靠性高的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是用戶的需求、企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)和研究人員的工作目標(biāo)。但由于沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是在輪轂上裝有20～25個(gè)曲面水斗，其曲面形狀非常復(fù)雜 目前國(guó)內(nèi)企業(yè)研制的轉(zhuǎn)輪主要是利用國(guó)外80年代的模型轉(zhuǎn)輪型線為基礎(chǔ)，采用整體鑄造、人工打磨的工藝進(jìn)行研制。發(fā)達(dá)國(guó)家在2004年研制成功了整體鍛造、數(shù)控加工工藝研制沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。國(guó)內(nèi)30MW以上的沖擊式水輪機(jī)組都引進(jìn)國(guó)外轉(zhuǎn)輪。由于沒(méi)有高性能、可靠性高的轉(zhuǎn)輪，使國(guó)內(nèi)企業(yè)在大型沖擊式水力發(fā)電項(xiàng)目中處于不利的位置。 本課題CAD/CAM/CAE/CFD技術(shù)進(jìn)行一體化計(jì)算，根據(jù)電站的水力參數(shù)，利用流體力學(xué)理論，研究水流在沖擊轉(zhuǎn)輪的過(guò)程中，水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律和水流對(duì)轉(zhuǎn)輪工作面和背面的作用力變化規(guī)律，分析射流在沖擊轉(zhuǎn)輪后的干涉的基礎(chǔ)上研究高性能的沖擊式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪，利用CAD軟件構(gòu)建轉(zhuǎn)輪的三維實(shí)體模型；利用CAM、CAE軟件對(duì)構(gòu)建的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行數(shù)控加工過(guò)程仿真和轉(zhuǎn)輪的剛、強(qiáng)度分析。利用分析的結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，直到獲得水力性能、結(jié)構(gòu)可靠性、可制造性等各個(gè)方面都較優(yōu)的轉(zhuǎn)輪。 本課題將CAD/CAM/CAE/CFD技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以影響裝備性能的關(guān)鍵部件為研究對(duì)象，尋找影響關(guān)鍵部件的性能的關(guān)鍵因素，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能的裝備的一次嘗試，代表產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方向，具有非常好的推廣應(yīng)用前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 項(xiàng)目概述 沖擊式水輪機(jī)是水力發(fā)電的四大機(jī)型之一，由于其適用于水頭高、無(wú)需修建大壩，淹沒(méi)少，對(duì)環(huán)境的破壞小，在某些特定環(huán)境下具有其他機(jī)型無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于偏遠(yuǎn)山區(qū)和風(fēng)景名勝區(qū)的水力資源開(kāi)發(fā)。 轉(zhuǎn)輪是沖擊式水力發(fā)電廠的關(guān)鍵部件，其功能是將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，其效率的高低和安全性是衡量水力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，研制水力性能優(yōu)、可靠性高的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是用戶的需求、企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)和研究人員的工作目標(biāo)。但由于沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是在輪轂上裝有20~25個(gè)曲面水斗，其曲面形狀非常復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)研制的轉(zhuǎn)輪主要是利用國(guó)外80年代的模型轉(zhuǎn)輪型線為基礎(chǔ)，采用整體鑄造、人工打磨的工藝進(jìn)行研制。發(fā)達(dá)國(guó)家在2004年研制成功了整體鍛造、數(shù)控加工工藝研制沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。國(guó)內(nèi)30MW以上的沖擊式水輪機(jī)組都引進(jìn)國(guó)外轉(zhuǎn)輪。由于沒(méi)有高性能、可靠性高的轉(zhuǎn)輪，、使國(guó)內(nèi)企業(yè)在大型沖擊式水力發(fā)電項(xiàng)目中處于不利的位置。本課題CAD/CAM/CAE/CFD技術(shù)進(jìn)行一體化，根據(jù)電站的水力參數(shù)，利用計(jì)算流體力學(xué)理論，研究水流在沖擊轉(zhuǎn)輪的過(guò)程中，水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流動(dòng)規(guī)律和水流對(duì)轉(zhuǎn)輪工作面和背面的作用力變化規(guī)律、分析射流在沖擊轉(zhuǎn)輪后的干涉的基礎(chǔ)上研究高性能的沖擊式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪，利用CAD軟件構(gòu)建轉(zhuǎn)輪的三維實(shí)體模型；利用CAM、CAE軟件對(duì)構(gòu)建的三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行數(shù)控加工過(guò)程仿真和轉(zhuǎn)輪的剛、強(qiáng)度分析。利用分析的結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，直到獲得水力性能、結(jié)構(gòu)可靠性、可制造性等各個(gè)方面都較優(yōu)的轉(zhuǎn)輪。 本課題將CAD/CAM/CAE/CFD技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，以影響裝備性能的關(guān)鍵部件為研究對(duì)象，尋找影響關(guān)鍵部件的性能的關(guān)鍵因素，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能的裝備的一次嘗試，代表產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的方向，具有非常好的推廣應(yīng)用前景。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、發(fā)明的目 1、開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、高性能的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪； 2、開(kāi)發(fā)整體鍛造、數(shù)控加工沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的新工藝； 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)： 1．利用計(jì)算流體力學(xué)理論，研究影響沖擊式水輪機(jī)組性能的主要因素。研究水流在沖擊式水輪機(jī)的管內(nèi)流動(dòng)，自由射流以及水斗內(nèi)部繞流等的各種流動(dòng)機(jī)理及其對(duì)能量轉(zhuǎn)換特性的影響； 2．以CFD技術(shù)進(jìn)行數(shù)值解析為主，結(jié)合模型試驗(yàn)的研究方法是進(jìn)行高性能、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪研究的一種行之有效的方法；縮短了新型轉(zhuǎn)輪的研發(fā)周期。 3．基于CAD/CAM/CAE/CFD集成化技術(shù)，進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品的研制。對(duì)產(chǎn)品研制中的技術(shù)難題，將難題進(jìn)行分解，通過(guò)多學(xué)科的綜合，從解決每個(gè)難點(diǎn)開(kāi)始，最后解決整個(gè)問(wèn)題。沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的數(shù)控加工，表面上看是一個(gè)加工問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、振動(dòng)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的問(wèn)題。只有通過(guò)對(duì)各個(gè)學(xué)科的集成才能解決這個(gè)問(wèn)題。 4．研究沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪制造新工藝。目前國(guó)內(nèi)通過(guò)鑄造、人工打磨沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪制造工藝，改變?yōu)橥ㄟ^(guò)鍛造毛坯、數(shù)控加工轉(zhuǎn)輪的制造工藝。提高產(chǎn)品制造精度和可靠性。 5．利用CAE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程中的工藝優(yōu)化。 技術(shù)關(guān)鍵 1．沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪數(shù)控加工工藝仿真； 2．基于CAD/CAM/CAE/CFD一體化技術(shù)的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化； 3．沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪加工工藝優(yōu)化。 主要技術(shù)指標(biāo) 1．轉(zhuǎn)輪的效率：超過(guò)91.5%； 2．轉(zhuǎn)輪的使用壽命：100000 小時(shí)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本課題將CAD/CAM/CAE/CFD技術(shù)進(jìn)行一體化，根據(jù)機(jī)組性能要求，按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)，建立轉(zhuǎn)輪的3D數(shù)字化模型；利用CAM技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行數(shù)控加工工藝仿真，尋找不能加工的區(qū)域與特征，從制造角度提出轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)修改方案；對(duì)修改后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE、CFD分析，分析修改后的結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)輪的水力性能和結(jié)構(gòu)剛、強(qiáng)度的變化情況，提出結(jié)構(gòu)修改方案；對(duì)修改方案進(jìn)行數(shù)控加工過(guò)程仿真。直到獲得水力性能、結(jié)構(gòu)可靠性、可制造性等各個(gè)方面都較優(yōu)的產(chǎn)品
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 本作品是在重慶市經(jīng)委、重慶市教委的“產(chǎn)、學(xué)、研”創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目“沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪研制”的資助下完成的。為企業(yè)開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)輪已應(yīng)用在國(guó)外某項(xiàng)目中（該項(xiàng)目的合同金額為350萬(wàn)美元），為企業(yè)帶來(lái)了非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)入股、專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物 樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) 1、轉(zhuǎn)輪水力性能：發(fā)達(dá)國(guó)家沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的模型效率最高為91.5%，開(kāi)發(fā)的模型轉(zhuǎn)輪（四噴嘴機(jī)組）的效率為91.75%。達(dá)到、甚至超過(guò)國(guó)外模型轉(zhuǎn)輪的最高效率。 2、整鍛、數(shù)控加工轉(zhuǎn)輪的研制：課題組完成整鍛、數(shù)控加工模型轉(zhuǎn)輪的工藝研究，并加工了模型轉(zhuǎn)輪。 1、經(jīng)濟(jì)效益 1）目前，國(guó)內(nèi)高水頭、大容量的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組幾乎采用進(jìn)口設(shè)備或轉(zhuǎn)輪采用進(jìn)口，根本原因是目前國(guó)內(nèi)的轉(zhuǎn)輪效率和工藝水平較低、不能制造整體緞造毛坯、數(shù)控加工的轉(zhuǎn)輪。 2）國(guó)內(nèi)投入運(yùn)行的機(jī)組改造產(chǎn)生的效益。 3）企業(yè)獲得高水頭、大型沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。 2、社會(huì)效益 1）研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的沖擊式水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪。 2）研制國(guó)內(nèi)首個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、采用整體鍛造毛坯、數(shù)控加工的沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。 3）企業(yè)獲得國(guó)外項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)超高水頭、大容量沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)保障。 4）為企業(yè)在沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組研制領(lǐng)域提供核心技術(shù)，縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家水平相當(dāng)。
同類課題研究水平概述
- 在某些區(qū)域和參數(shù)段，沖擊式水輪機(jī)具有其他類型的水輪機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，電站的建設(shè)無(wú)需巨型大壩，適用于高水頭，而且發(fā)電需要的流量也較小，對(duì)環(huán)境影響非常小。世界性的對(duì)沖擊式水輪機(jī)的應(yīng)用始于上世紀(jì)二十年代，其最大單機(jī)功率從75MW發(fā)展到如今的400—500MW，單機(jī)出力和使用水頭的極限己經(jīng)達(dá)到了新的水平，比如瑞士Bieudron電站，其進(jìn)水頭為1869m，單機(jī)容量達(dá)到423MW。最近幾年，我國(guó)沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的建設(shè)在水頭、容量等獲得了非常大的進(jìn)步，建設(shè)了亞洲最高水頭（設(shè)計(jì)水頭1175m）的四川蘇巴姑電站和最大單機(jī)功率（單機(jī)功率為140MW）的四川省雅安市石棉縣境內(nèi)大渡河中游的金窩水電站；水輪機(jī)組的噴嘴數(shù)從單噴嘴發(fā)展到六噴嘴。 由于混流式、軸流式水輪的過(guò)流能力強(qiáng)，單機(jī)功率大，制造企業(yè)、科研院所將研究工作的重點(diǎn)放在研究高性能的混流式、軸流式模型轉(zhuǎn)輪和提高混流式、軸流式水輪機(jī)組的可靠性上，使得沖擊式水輪機(jī)的研究沒(méi)有得到足夠的重視，使國(guó)內(nèi)企業(yè)研制的沖擊式水輪機(jī)組在水力性能、轉(zhuǎn)輪的制造工藝、機(jī)組的動(dòng)力學(xué)性能、關(guān)鍵部件的可靠性等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在較大的差距。主要體現(xiàn)在：（1）缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能的模型轉(zhuǎn)輪；（2）轉(zhuǎn)輪制造工藝比較落后，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研制成功整體緞造、數(shù)控加工的工藝，國(guó)內(nèi)主要采用鑄造毛坯、人工打磨的工藝；（3）過(guò)流部件的水力性能較差。由于上述原因，使得國(guó)內(nèi)企業(yè)在與國(guó)外企業(yè)進(jìn)行項(xiàng)目競(jìng)爭(zhēng)中處于非常不利的位置，為了獲得項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)企業(yè)只能與國(guó)外企業(yè)合作，通過(guò)購(gòu)買轉(zhuǎn)輪或國(guó)外企業(yè)提供轉(zhuǎn)輪并進(jìn)行過(guò)流部件設(shè)計(jì)等方式。具體表現(xiàn)在：云南滇能賽珠電站，四川省石棉縣境內(nèi)的仁宗海、金窩發(fā)電站等采用維奧公司進(jìn)口轉(zhuǎn)輪；國(guó)內(nèi)最大的沖擊式水輪機(jī)組的過(guò)流部件（進(jìn)水環(huán)管、噴嘴等）由維奧公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)輪由維奧公司提供；這些項(xiàng)目的共同特點(diǎn)是高附加值、核心技術(shù)由國(guó)外公司負(fù)責(zé)提供，國(guó)內(nèi)企業(yè)只進(jìn)行常規(guī)部件的制造，通過(guò)這些項(xiàng)目的合作，并沒(méi)有從根本上提高國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)水平和掌握沖擊式水輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，加大了電站的投資規(guī)模，使國(guó)內(nèi)企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中處于非常不利的位置。開(kāi)發(fā)高性能、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的沖擊式水輪機(jī)的核心技術(shù)是制造企業(yè)面臨的技術(shù)難題。 本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪其水力性能、可靠性均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，增強(qiáng)了沖擊式水輪機(jī)制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。
