水轮机转轮是水力发电机组能量转换的核心部件,其结构的力学性能直接对水电站机组的安全、可靠、经济运行有着巨大的影响。水轮机转轮的结构力学性能,包括其刚、强度和模态分析研究等一直是水轮机数字化设计中的关键技术之一。由于水轮机转轮叶片是非常复杂的雕塑曲面体,转轮的工作条件也非常复杂,传统的研究方法是采用简化理论分析研究与模型试验相结合。随着水力发电机组朝着巨型化发展,对于水轮机结构设计与分析提出了巨大的调整。近年来,伴随数值模拟技术及计算机技术的发展,水力发电设备制造行业正在探索将基于有限元法的结构分析仿真技术开发应用于现代转轮结构优化设计,以提高设计的可靠性。 本文以混流式水轮机转轮为研究对象,根据混流式水轮机的运行工况,研究其力学和数学模型、受力分析、边界条件及计算载荷的简化和施加方法。结合某电站机组改造研究,对其改造方案的转轮进行了结构分析。在改造方案的转轮的水力设计和流场数值模拟的基础上,完成混流式转轮的三维几何建模。在ANSYS软件平台上针对混流式转轮进行研究开发,对完成改造方案的转轮进行结构计算分析。在结构分析过程中,考虑到水轮机转轮的结构特点和工作性质,采用十节点二次四面体三维实体单元建立了转轮的有限元模型。在对转轮施加载荷的时候主要考虑了离心力、重力及内部流场对转轮叶片产生的水压力。考虑水压力分布涉及到“流固”耦合问题,计算处理中采用顺序耦合方法,