抽水蓄能電站尾水事故閘門靜動力特性研究

黃峻，謝智雄

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635;2.河海大學機電工程學院，江蘇 常州 213022)

1 閘門概況

圖1 閘門結(jié)構(gòu)

本文應(yīng)用ANSYS軟件對某抽水蓄能電站尾水事故閘門結(jié)構(gòu)的靜動力特性進行數(shù)值分析研究，計算并分析節(jié)間2種連接形式下的定輪反力、應(yīng)力、位移、屈曲失穩(wěn)、自振頻率及振型特性。

2 計算方案

為了便于表達，對閘門結(jié)構(gòu)各部分進行編號，如圖2所示。閘門結(jié)構(gòu)為空間薄壁結(jié)構(gòu)，采用shell63號板單元來進行模擬，閘門結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

圖2 閘門結(jié)構(gòu)各部件編號

選取閘門閉門擋水工況，此時閘門受水頭119 m的靜水壓力作用。考慮閘門自重，按節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種形式來計算分析閘門結(jié)構(gòu)的靜動力特性。

圖3 閘門結(jié)構(gòu)有限元模型

3 計算結(jié)果及分析

3.1 定輪反力計算結(jié)果及分析

閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下定輪反力計算結(jié)果見表1，由表1可以看出:

(1)節(jié)間邊柱斷開形式下定輪最大反力為2563.1 kN，發(fā)生在定輪1處;節(jié)間邊柱連續(xù)形式下定輪最大反力為2777.1 kN，發(fā)生在定輪1處。2種形式下各定輪反力相差不超過10%。

(2)節(jié)間邊柱斷開與節(jié)間邊柱連續(xù)相比，輪1、輪4的反力有所減小，輪2、輪3的反力有所增大，節(jié)間邊柱斷開形式下各定輪反力的均勻性優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。

(3)從定輪最大反力及各定輪反力的均勻性來看，節(jié)間邊柱斷開形式優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。

試驗采用間比法排列，不設(shè)重復(fù)，每4－5個品種設(shè)一個對照，同一排首、末小區(qū)必須是對照品種，8行區(qū)，面積不少于200平方米，試驗周邊設(shè)不少于4行的保護區(qū)。測產(chǎn)時收獲全部果穗，風干脫粒后稱籽粒重量，測含水量，折成14%水分計產(chǎn)，產(chǎn)量比較時以參試品種與兩個相鄰對照的平均值比較，計算增（減）產(chǎn)百分率。

表1 定輪反力計算結(jié)果

3.2 位移計算結(jié)果及分析

閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門結(jié)構(gòu)整體及各部件的位移計算結(jié)果見表2，從表2可以看出:

(1)閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種形式下，閘門結(jié)構(gòu)各部件順河向位移基本相同。

(2)2種連接形式下，順河向最大位移均發(fā)生在面板梁格2跨1中部，其值約為5.0 mm。

(3)主梁撓度為4.2mm，小于許用變形(5.6mm)，滿足剛度要求。

表2 閘門各部件結(jié)構(gòu)順河向位移計算結(jié)果

3.3 應(yīng)力計算結(jié)果及分析

閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門結(jié)構(gòu)各部件的最大折算應(yīng)力計算結(jié)果見表3，由表3可以看出:

(1)閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力基本相同。

(2)2種連接形式下閘門結(jié)構(gòu)最大折算應(yīng)力均發(fā)生在面板部件上，其值約為212 MPa，略超過材料許用應(yīng)力(205 MPa)，可滿足強度要求。

表3 閘門各部件結(jié)構(gòu)最大折算應(yīng)力計算結(jié)果

3.4 屈曲失穩(wěn)計算結(jié)果及分析

閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門結(jié)構(gòu)前5階屈曲失穩(wěn)計算結(jié)果見表4，從表4可以看出:

(1)閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門結(jié)構(gòu)前5階失穩(wěn)形式均表現(xiàn)為閘門結(jié)構(gòu)各板件的局部失穩(wěn)。

(2)節(jié)間邊柱斷開情況下，門背板的穩(wěn)定系數(shù)為39.466，略大于節(jié)間邊柱連續(xù)情況下的37.427。

(3)2種連接形式下主梁1腹板的穩(wěn)定系數(shù)基本相同，可見，閘門節(jié)間邊柱斷開或連續(xù)對主梁腹板的穩(wěn)定性沒有影響。

(4)2種連接形式下，閘門結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生失穩(wěn)的部件為門背板的局部失穩(wěn)，其穩(wěn)定系數(shù)最小為37.427，閘門結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。

表4 閘門結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)計算結(jié)果

3.5 自振特性計算結(jié)果及分析

閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門結(jié)構(gòu)前5階自振頻率及振型計算結(jié)果見表5、表6，從計算結(jié)果可以看出:

(1)閘門節(jié)間邊柱斷開與節(jié)間邊柱連續(xù)相比，各階自振頻率均有所增高，其中，無水情況下基頻增高15.4%，有水情況下增高12.5%。分析其原因，主要是節(jié)間邊柱連續(xù)的情況下閘門結(jié)構(gòu)整體剛度有所增大。

(2)閘門節(jié)間邊柱斷開有水情況下的基頻為6.044 Hz，約為無水情況下(33.076 Hz)的 18.3%;節(jié)間邊柱連續(xù)有水情況下的基頻為6.797 Hz，約為無水情況下(38.178 Hz)的17.8%。可見，附加水體對閘門自振頻率的影響較大，流固耦合效應(yīng)不可忽略。

表5 節(jié)間邊柱斷開時閘門結(jié)構(gòu)自振特性計算結(jié)果

表6 節(jié)間邊柱連續(xù)時閘門結(jié)構(gòu)自振特性計算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)從前述計算結(jié)果來看，閘門節(jié)間邊柱斷開及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門結(jié)構(gòu)均能滿足強度、剛度、穩(wěn)定性要求。

(2)附加水體對閘門自振頻率的影響較大，計算閘門自振特性時流固耦合效應(yīng)不可忽略;閘門節(jié)間邊柱斷開與節(jié)間邊柱連續(xù)相比，各階自振頻率均有所增大，主要是節(jié)間邊柱連續(xù)的情況下，閘門結(jié)構(gòu)整體剛度有所增大的緣故。

(3)從輪壓分布的合理性上來看，閘門節(jié)間邊柱斷開形式優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。

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