活動導葉有限元分析邊界條件探討

龐立軍, 呂桂萍

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

1 前言

活動導葉是水輪機最重要的過流部件之一，目前國內(nèi)外各大公司均采用有限元分析手段對其進行剛強度評估，而且計算模型和邊界條件基本類似。但是，往往得到的導葉變形較大。出現(xiàn)這種情況的根源在于計算模型的選取。事實上，當活動導葉處于完全關閉狀態(tài)時，由于水壓力和壓緊扭矩作用，相鄰導葉的進水邊和出水邊將會相互接觸并產(chǎn)生力的相互作用。因此，各個活動導葉之間是相互關聯(lián)的；而通過簡化后的計算模型與實際情況在一定程度上存在差異，使計算得到的變形結果往往與真實水平產(chǎn)生較大偏差，給設計帶來一定困難。本文根據(jù)活動導葉全關閉時的實際情況，采用接觸單元模擬實際導葉關閉狀態(tài)，即進行2個相鄰活動導葉的聯(lián)合受力分析，同時，與傳統(tǒng)的計算模型進行對比計算，深入探討了不同邊界條件對活動導葉剛強度計算結果的影響。

2 活動導葉剛強度分析

當水輪發(fā)電機組遇到緊急停機時，活動導葉迅速關閉。導葉瓣體將受到由于升壓水頭產(chǎn)生的水壓力和尾水壓力作用，導葉上軸頸承受來自接力器操作力產(chǎn)生的扭矩作用。此工況是校核活動導葉剛強度性能的最危險工況。本文以某大型水輪機活動導葉為例，應用 ANSYS軟件對處于此工況下的活動導葉進行了聯(lián)合受力以及傳統(tǒng)計算模型在不同邊界條件下的剛強度對比分析。

2.1 聯(lián)合受力計算模型

為了能夠真實模擬活動導葉處于全關狀態(tài)的邊界條件，選取2個相鄰導葉進行聯(lián)合受力計算。整機活動導葉為周期對稱分布，本例導葉個數(shù)為24個，因此,選取圓周方向360°的1/12作為計算模型。計算模型包括一個完整的導葉和以機組中心與導葉中心連線為基準進行剖切開的一個導葉；導葉臂作為活動導葉的一部分按實際尺寸進行建模；上、中、下三個徑向軸承以套筒形式進行模擬，與導葉軸之間的間隙為實際設計間隙。聯(lián)合受力計算模型如圖1所示。

聯(lián)合受力計算模型的邊界條件如下：

在模型對稱剖切面對應節(jié)點上施加周期對稱約束條件，使對應節(jié)點保持位移協(xié)調(diào)一致；在上、中、下三個徑向軸承內(nèi)表面與導葉軸外表面之間建立面接觸對來模擬接觸狀態(tài)；約束三個軸承外表面上所有節(jié)點的全部自由度；在相鄰導葉的進水邊與出水邊接觸面處建立面接觸對來模擬關閉后的接觸狀態(tài)；約束導葉臂連接板銷孔內(nèi)表面節(jié)點全部自由度；為防止產(chǎn)生剛體位移，在導葉的底部任找一點約束軸向位移；在導葉正面施加升壓水頭水壓力，反面施加尾水壓力。如圖2所示。

圖1 聯(lián)合受力計算模型

圖2 聯(lián)合受力邊界條件

2.2 單個活動導葉計算模型

選取單個活動導葉進行計算，分別采用如下力學模型和邊界條件：

（1）選取一個完整的活動導葉作為分析計算模型。分別約束導葉3個軸頸處相應位置上的徑向位移；約束導葉軸頭處的切向位移；為防止產(chǎn)生剛體位移，在導葉的底部任找一點約束軸向位移，如圖3所示。

（2）選取一個完整的活動導葉作為分析計算模型。分別在導葉3個軸頸處相應位置上建立相應的節(jié)點模擬導葉的軸套，模擬軸套的節(jié)點與導葉軸之間采用CONTACT52單元模擬導葉軸與軸套之間的間隙，約束模擬軸套上節(jié)點的所有自由度；導葉臂采用Beam4梁單元進行模擬，約束梁單元末端節(jié)點轉(zhuǎn)動方向自由度；為防止產(chǎn)生剛體位移，在導葉的底部任找一點約束軸向位移，如圖4所示。

（3）選取一個完整的活動導葉和導葉臂作為分析計算模型，如圖5所示。在上、中、下三個徑向軸承內(nèi)表面與導葉軸外表面之間建立面接觸對來模擬接觸狀態(tài)；約束三個軸承外表面上所有節(jié)點的全部自由度；約束導葉臂銷孔內(nèi)表面所有節(jié)點自由度；為防止產(chǎn)生剛體位移，在導葉的底部任找一點約束軸向位移，如圖6所示。

圖3 邊界條件1

圖4 邊界條件2

圖5 單個導葉整體計算模型3

圖6 邊界條件3

3 計算結果比較分析與探討

采用ANSYS軟件，對以上4種不同力學模型和邊界條件分別進行分析計算。計算結果如表1。

表1 活動導葉在4種不同邊界條件下的有限元計算結果

從表1可知，無論采用哪種邊界條件和計算模型，最大綜合應力均發(fā)生在導葉瓣體的中間部位；而最大徑向位移，由于邊界條件不同，其結果也不盡相同。比較邊界條件1和邊界條件2，由于在邊界條件2中考慮了導葉軸和軸套之間的間隙，因此，邊界條件2的位移相對要大些；而邊界條件3盡管考慮了導葉軸和軸套之間的間隙，但同時也考慮了軸套的高度，因此，位移相對要小些。

對于上述4種計算模型和邊界條件，聯(lián)合受力的計算模型比較接近實際情況。而邊界條件3的計算結果比較接近活動導葉聯(lián)合受力的計算結果。

根據(jù)以上計算分析，并綜合多家水電站實際運行情況可以得出：應用有限元法對水輪機活動導葉進行剛強度分析時，采用聯(lián)合受力分析模型及邊界條件能夠更加真實地反映出活動導葉的應力與變形情況，對活動導葉的優(yōu)化設計及漏水量計算提供可靠的依據(jù)。當然，聯(lián)合受力分析模型的缺點也相當明顯，計算周期過長，在非線性迭代過程中容易出現(xiàn)模型計算不收斂等問題。因此，建議今后對活動導葉進行剛強度分析時，在計算機容量允許的范圍內(nèi)，盡量采用聯(lián)合受力的邊界條件；否則可以采用邊界條件3的計算模型和邊界條件。

4 結論

通過有限元法對水輪機活動導葉在4種邊界條件下的對比分析與探討，可以得出以下結論：

（1）從力學分析角度來看，國內(nèi)外公司在計算水輪機活動導葉所采用的單個計算模型及邊界條件可以滿足計算要求，但計算得到的應力與變形往往要高于真實水平。

（2）從實際運行角度來看，采用2個相鄰活動導葉聯(lián)合受力分析模型及邊界條件能夠更加真實地模擬活動導葉的受力與支撐情況，計算得到的應力與變形更接近于實際情況。