水泵水轮机顶盖座环连接结构安全性的评估方法和系统与流程

本发明涉及抽水蓄能电站水泵水轮机组安全评价，特别涉及一种水泵水轮机顶盖座环连接结构安全性的评估方法和系统。

背景技术：

1、抽水蓄能电站在电网中作为重要的调节资源，能够有效促进新能源消纳，增强电力系统的平衡调节能力。其核心水泵水轮发电机组根据电网调度要求，需频繁起停、转换工况，以达到对电网负荷快速跟踪调节的目的。

2、水泵水轮机组的重要结构部件，顶盖和座环通常采用连接螺栓把合，保证顶盖和座环结构间不发生相对位移、不漏水。连接螺栓通常采用力矩扳手或液压拉伸器预紧，对螺栓预紧力国家标准要求其不小于工作载荷的2.0倍。早期我国在引进抽水蓄能技术时，在螺栓的强度设计方面基本按照各厂家的设计原则和经验，加之对国家标准中工作载荷对应的具体运行工况理解不同，目前国内存在一批抽水蓄能电站水泵水轮机组顶盖连接螺栓预紧力不满足标准要求的情况。

3、解决上述问题可采用更换更高强度等级螺栓，提高预紧力，以达到国家标准的要求，但同时可能带来顶盖结构强度不足产生变形，以及座环的内螺纹强度不足，产生破坏的可能。因此，需要采用更加深入的，结合螺纹应力分析研究的科学方法，对水泵水轮机的顶盖座环连接结构的安全性进行评估。

4、现有技术的通常做法为：

5、对于顶盖座环连接结构的安全性评估包括三个方面：一是连接螺栓自身的安全；二是顶盖和座环结构的强度特性；三是顶盖和座环连接结构的有效性，即连接有效性，如不发生相对位移、不出现漏水，其安全性体现在对整个机组和电站的安全影响。

6、(1)对于更换的更高强度的螺栓本身安全评估，通过计算程序得到各典型工况下水泵水轮机顶盖水推力，如图1所示，总的顶盖水推力为p1～p4各区域轴向水推力之和。再将水推力作用于均布在顶盖上的各螺栓，作为螺栓的工作载荷；工作载荷与新螺栓的设计预紧力共同构成螺栓的总载荷，通过复核各工况下的螺栓最小断面平均应力最大值、各工况下预紧力与工作载荷的比值来评估新螺栓自身的安全性。

7、(2)对于更换更高强度螺栓后的顶盖和座环结构的安全评估，主要是进行新的受力条件下顶盖和座环结构的强度特性、应力分布和变形水平。

8、(3)对于更换更高强度螺栓后，顶盖和座环连接结构的安全性评估，主要是保证在各运行工况下顶盖和座环之间具有一定的夹紧力，保证连接不出现相对位移和漏水。根据机械设计手册，对于通用的钢质的采用螺栓把合的连接结构，要求其夹紧力通常不低于工作载荷的0.6倍。

9、1)针对上述现有技术的第(1)条，对连接螺栓本身而言，其受到的工作载荷往往考虑了多种影响因素，形成一定安全余量，且平均加载于各螺栓，可能存在偏大于实际载荷的情况，同时忽略了水推力分布不均匀性和顶盖结构对螺栓受力的影响。在螺栓受力条件偏离实际的情况下，对螺栓的安全评估是不准确的。并且，现有技术对螺栓的校核通常针对螺柱部分的最小截面，对螺栓的螺纹部分开展强度分析也是基于理论和经验公式，没有开展详细的螺栓应力分布分析，对螺纹的安全评估相对简单。

10、2)针对上述现有技术的第(2)条，同样存在顶盖受力简化，受力特性偏离实际的情况，对于顶盖结构的安全评估存在偏差。除此之外，对于座环，不仅需要对其整体结构进行强度校核、变形分析，还应该重点考虑内螺纹的强度，这是影响座环安全以及连接结构安全的关键因素。

11、3)针对上述现有技术的第(3)条，连接有效性的评估一方面要复核各运行工况下的夹紧力的水平，更要关注和研究的是顶盖和座环间的螺纹副连接安全。现有技术不能详细获得螺纹副的接触力分布和内、外螺纹的应力分布，对结构的安全性评估容易产生偏差。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术无法精准判断连接结构的安全有效和评估风险的问题，提供了一种水泵水轮机顶盖座环连接结构安全性的评估方法和系统。

2、为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种水泵水轮机顶盖座环连接结构安全性的评估方法，包括以下步骤：

4、s1：对水泵水轮机全流道开展运行工况下的cfd流场计算，得到各工况下顶盖与转轮间水压力分布，工况包括：水轮机正常运行工况、水泵正常运行工况、水泵启动过程中的零流量工况及水轮机突发情况下的甩负荷工况。

5、s2：对顶盖、座环和连接螺栓的整体结构进行三维模型构建；

6、对顶盖、座环和连接螺栓的三维模型进行网格划分，开展精细化网格划分；

7、开展网格质量检查，以保证多尺度网格下的计算顺利进行；

8、载荷包括螺栓的预紧力和s1的流场计算得到的水压力分布，螺纹副部分重点考虑金属材料的弹塑性变形特性，经过有限元计算，最终得到各工况下顶盖、螺栓、座环的应力分布和变形。

9、s3：根据s2得到的螺栓各截面应力分布和螺栓外螺纹的应力分布，计算得到螺栓的应力水平、尤其是螺纹相啮合时的应力集中情况，判断螺栓结构安全性。

10、s4：根据s2得到的顶盖和座环结构的应力分布和变形情况，判断顶盖和座环结构安全性。

11、s5：根据s2得到的座环内螺纹应力分布，通过计算，判断座环内螺纹的应力集中位置和各圈螺纹的应力分布规律。

12、s6：在得到螺栓外螺纹和座环内螺纹的应力分布基础上，对螺纹副连接的接触力进行计算、分析，得到各圈螺纹连接的接触力分布，通过得到的啮合长度和接触力，与螺栓的啮合长度设计值以及螺纹的拉脱力进行比较，判断螺纹副的连接安全。

13、s7：综合s3至s6的结果，综合评估水泵水轮机顶盖座环连接结构安全性结果。

14、进一步地，s1包括以下子步骤：

15、s11：首先建立水泵水轮机中蜗壳、活动导叶、转轮和尾水管的全流道三维模型，并进行全流道三维模型的网格划分；

16、s12：给定不同运行工况下的流量参数和水头参数作为计算条件和边界条件，开展cfd数值模拟计算。

17、针对机组常运行的水轮机正常运行工况、水泵正常运行工况、水泵启动过程中的零流量工况及水轮机突发情况下的甩负荷工况进行计算，计算完成后，得到各工况下机组流道各部分的速度分布和压力分布，对顶盖和转轮间的水压力分布进行分析，作为后续结构计算的初始条件。

18、本发明还公开了一种水泵水轮机顶盖座环连接结构安全性的评估系统，该系统能够用于实施上述的水泵水轮机顶盖座环连接结构安全性的评估方法，具体的，包括：建模模块、划分网格模块、cfd流程计算模块、有限元计算模块、应力分布、变形分析模块和安全性评估模块；

19、建模模块：建立水泵水轮机组全流道三维模型，建立顶盖、座环和连接螺栓整体结构三维模型；

20、划分网格模块：对建立水泵水轮机组、顶盖、座环和连接螺栓整体结构三维模型进行划分网格；

21、cfd流程计算模块：对划分网格后的水泵水轮机组全流道三维模型进行cfd流程计算，得到各工况下机组流道各部分的速度分布和压力分布，对顶盖和转轮间的水压力分布进行分析，作为后续结构计算的初始条件。

22、有限元计算模块：对通过螺栓的预紧力和水压力分布进行有限元计算，得到各工况下顶盖、螺栓、座环的应力分布和变形。

23、应力分布和变形分析模块：分析螺栓各截面应力分布，分析到顶盖和座环结构的应力分布、变形情况，分析座环内螺纹的应力分布。

24、本发明还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述一种水泵水轮机顶盖座环连接结构安全性的评估方法。

25、与现有技术相比，本发明的优点在于：

26、通过结构整体建模开展流场的数值模拟计算，准确计算出顶盖和螺栓结构在不同工况下的载荷，充分考虑了水压力的不均匀性，使得顶盖和螺栓的受力更加贴近实际运行情况，相较现有技术方案简化受力条件并更加准确。

27、通过顶盖、座环和螺栓整体连接结构开展有限元计算，重点包含了螺栓的外螺纹和座环的内螺纹，在受力更加准确的基础上，一方面考虑了顶盖和座环自身结构特征对强度特性的影响，另一方面更加细致、深入的研究了螺栓的外螺纹和座环内螺纹的安全，现有技术未详细考虑螺纹的安全评估，比较而言，本发明更加精准和全面，能够更精确的评估结构的安全，判断可能存在的风险。

28、连接结构螺纹副的接触力分析、螺纹拉脱力复核以及螺纹啮合长度的计算，不仅可以清晰反映出螺纹副连接中各圈螺纹的受力情况，还能够准确复核螺纹的安全，判断是否存在拉脱的危险以及评估螺纹的长度设计值是否合理。