某電站水輪機(jī)頂蓋結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案有限元分析

劉晶石，鐘 蘇，龐立軍

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

前言

頂蓋是水輪機(jī)重要的支撐和過流部件，受到了眾多研究人員的重視[1-3]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，既要保證其水利性能要求，還要具有良好的剛強(qiáng)度特性和動(dòng)態(tài)特性，以保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)頂蓋結(jié)構(gòu)時(shí)需要兼顧性能與材料成本，所以在設(shè)計(jì)時(shí)往往需要對(duì)原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)性能與成本的最優(yōu)化。本文針對(duì)某電站水輪機(jī)頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問題，利用有限元法對(duì)比分析了頂蓋原始設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案的剛強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性。

表1 電站主要參數(shù)

1 基本數(shù)據(jù)

該電站頂蓋原始結(jié)構(gòu)如圖1-(a)所示，經(jīng)有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在局部應(yīng)力過高和動(dòng)態(tài)特性較差的問題。本文針對(duì)這些問題，提出了減小局部高應(yīng)力和提高動(dòng)態(tài)特性的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如圖1-(b)所示。對(duì)比兩種方案的模型可知其區(qū)別在于，改進(jìn)方案是將輻向筋板外緣半徑縮小35mm，并在其外側(cè)增加立板，如圖1-(b)圓圈中所示。

該電站水頭和轉(zhuǎn)速等主要參數(shù)如表1所示。

本文分析頂蓋動(dòng)態(tài)特性時(shí)考慮了相關(guān)部件附加重量對(duì)固有頻率的影響，涉及到的相關(guān)部件重量見表2。

表2 相關(guān)部件重量

該電站頂蓋材料為Q345B，其材料性能及許用應(yīng)力如表3所示。

表3 頂蓋材料特性表

圖1 大坪頂蓋有限元計(jì)算模型

2 有限元模型

2.1 模型及邊界條件

頂蓋結(jié)構(gòu)屬于周期對(duì)稱結(jié)構(gòu)，文中頂蓋共有 20個(gè)導(dǎo)葉孔和10個(gè)輻向筋板。利用其對(duì)稱性切取包含2個(gè)導(dǎo)葉孔和 1個(gè)筋板在內(nèi)的 1/10個(gè)頂蓋作為計(jì)算模型，并選擇每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度的20節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID95劃分網(wǎng)格。

在頂蓋剖切出的兩個(gè)對(duì)稱面上施加couple對(duì)稱邊界條件，頂蓋法蘭與座環(huán)把合面螺栓分布圓上約束相應(yīng)節(jié)點(diǎn)自由度。

2.2 工況及載荷

因?yàn)樗啓C(jī)正常運(yùn)行工況，頂蓋承受的載荷最苛刻，所以本文只對(duì)水輪機(jī)正常運(yùn)行工況下兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平進(jìn)行了對(duì)比分析。水輪機(jī)正常運(yùn)行工況載荷見表4。

表4 各工況載荷列表

P1——頂蓋與座環(huán)密封與導(dǎo)葉分布圓之間的水壓力；

P2——導(dǎo)葉分布圓與轉(zhuǎn)輪進(jìn)水半徑之間的水壓力；

P3——轉(zhuǎn)輪進(jìn)水半徑與上密封之間的水壓力；

P4——轉(zhuǎn)輪上密封與主軸密封之間的水壓力。

3 結(jié)果分析

3.1 剛強(qiáng)度對(duì)比

本文對(duì)比分析了水輪機(jī)正常運(yùn)行工況下，原始方案和改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)的von mises應(yīng)力分布和綜合變形結(jié)果。圖2-a)是原始方案頂蓋von mises應(yīng)力分布，可見結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在輻向筋板與上法蘭板相交處的端部，最大應(yīng)力達(dá)到354.9MPa，幾乎是許用值的兩倍，這顯然是不符合要求的。圖2-b)是改進(jìn)方案頂蓋von mises應(yīng)力分布，可見結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在輻向筋板、上法蘭板和立板相交處，最大應(yīng)力為120.0MPa，滿足許用要求。兩種方案頂蓋的最大變形分別為0.284mm和0.162mm，說明改進(jìn)結(jié)構(gòu)的剛度優(yōu)于原始方案。

3.2 動(dòng)態(tài)特性對(duì)比

本文利用ANSYS軟件分別計(jì)算了兩種方案頂蓋的動(dòng)態(tài)特性。計(jì)算過程中考慮了水導(dǎo)軸承重量、控制環(huán)重量、迷宮環(huán)密封重量、止漏環(huán)重量和活動(dòng)導(dǎo)葉重量對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。通過有限元計(jì)算得到兩種方案頂蓋的前6階固有頻率如表5所示。

頂蓋的固有頻率主要應(yīng)避開轉(zhuǎn)頻與葉片個(gè)數(shù)乘積的激振頻率及其倍頻。轉(zhuǎn)頻與葉片個(gè)數(shù)的乘積為17×600/60=170Hz，而其倍頻為340Hz。

圖2 兩方案von mises應(yīng)力對(duì)比

表5 頂蓋固有頻率對(duì)比

從表4中頂蓋前6階固有頻率可以看出，原始設(shè)計(jì)方案的第1階固有頻率等于轉(zhuǎn)頻與葉片個(gè)數(shù)乘積的激振頻率，第3階固有頻率近似于轉(zhuǎn)頻與葉片個(gè)數(shù)乘積的倍頻，說明原始設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)特性很差，存在極大的共振可能，引起共振的頂蓋振型如圖3所示。而改進(jìn)設(shè)計(jì)方案的前6階固有頻率較好的避開了上述激振頻率及其倍頻，說明改進(jìn)方案的動(dòng)態(tài)特性很好，不存在共振可能。

4 結(jié)論

利用ANSYS軟件，建立了水輪機(jī)頂蓋原始方案和改進(jìn)方案的有限元模型，并對(duì)兩種方案的剛強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了有限元對(duì)比分析。頂蓋原始方案 von mises應(yīng)力最大值超過許用要求一倍，而改進(jìn)方案應(yīng)力水平較好、滿足許用要求；原始方案動(dòng)態(tài)特性較差，第1和第3階固有頻率分別與轉(zhuǎn)頻與葉片個(gè)數(shù)乘積的激振頻率及其倍頻相吻合，將會(huì)引起共振，而改進(jìn)方案動(dòng)態(tài)特性較好，可避免發(fā)生共振。結(jié)果表明：改進(jìn)方案在剛強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性方面均優(yōu)與原始方案。

圖3 引起共振的頂蓋模態(tài)振型

[1]鐘蘇. 影響混流式水輪機(jī)頂蓋剛強(qiáng)度的主要因素分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1995(3): 36-40.

[2]龐立軍, 鐘蘇. 帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋軸向剛度主要影響因素分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2010(1):54-57.

[3]龐立軍. ANSYS優(yōu)化技術(shù)在水輪機(jī)頂蓋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 上海大中型電機(jī), 2007(4): 7-8.