電站蝸殼座環剛強度的計算及分析

2013-12-31 07:20:10李成峰陳元林

機械工程師 2013年5期

李成峰，陳元林

（1.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱150040；2.哈爾濱大電機研究所，哈爾濱150040）

1 引言

在水輪機的結構設計過程中，剛強度計算必不可少，目的是為了檢驗蝸殼座環剛強度是否滿足許用要求。本文以國外某電站混流式水輪機埋入部件為例，對蝸殼座環的剛強度進行計算分析。采用了ANSYS 軟件和解析法對水輪機蝸殼座環的剛強度進行了計算分析，從而對水輪機蝸殼座環的結構設計提供技術依據。

2 基本參數

水輪機額定出力為56.14MW；機組中心安裝高程為450.4m；額定水頭Hr=128m；最大水頭Hmax=137.8m；升壓水頭（H＋ΔH）＝178.6m；固定導葉高度b=570mm。

3 蝸殼座環材料及許用應力

該電站水輪機蝸殼座環各部件的材料特性及許用應力見表1。

用戶提出的許用應力是指機組正常運行工況下計算所得工作平均應力的允許值。這里采用有限元法進行分析，將得到結構的局部應力和應力分布，應給出不同的許用應力標準。可分以下2 種情況進行處理。

表1 電站水輪機蝸殼座環材料特性及許用應力

3.1 對應某截面算得的平均應力的許用應力選取

座環的許用應力一般按用戶提出的要求以及ASME8-1 標準選取。用戶要求，在設計載荷條件下，最大薄膜應力應小于固定導葉中間剖面的平均應力UTS/5。按照美國ASME 鍋爐與壓力容器標準，蝸殼設計的許用應力為：Min（UTS/3.5，2YS/3）。

表2 ASME8-1 許用應力和用戶要求的許用應力/MPa

3.2 選取由有限元法計算得到的局部應力的許用應力

按照有限元法計算得出的局部應力，以及ASME 的分析應力準則，將應力分類如下：初次薄膜應力Pm，初次局部應力（不連續但沒有應力集中）PL，初次彎曲應力Pb，二次薄膜應力+不連續的彎曲應力Q，設計的參考應力為

不同應力的許用應力定義為Pm＜Sm，PL+Pb＜1.5Sm，PL+Pb＋Q＜3Sm。

在特殊工況下（打壓試驗條件下），蝸殼的許用應力取為：Pm＜0.9σs，Pm＋Ps＜1.35σs。

ASME 許用應力和用戶文件中的平均應力對比見表3。

表3 ASME 標準許用應力及標書中要求的平均應力/MPa

對于地震這種極端工況下的許用應力，各應力相應放大1.33 倍。

4 蝸殼座環剛強度計算分析

4.1 解析法計算

解析法計算將得到蝸殼座環各部件的平均應力，解析法計算時，選用初次薄膜應力（平均應力）為考核依據。計算采用程序Probac.xls 完成。

（1）載荷。本次解析法計算考慮了水輪機在升壓工況下的情形。該工況下，蝸殼受到的水壓力為：

其中，H＋ΔH 為升壓水頭。

頂蓋對座環向上的總拉力F＝2910000N。

（2）計算結果

此蝸殼結構從第0 節到20 節為圓形蝸殼所計算的結果，因此使用解析法進行計算，從表4 計算結果中可以看出，該電站蝸殼座環剛強度滿足材料許用應力要求。

表4 升壓水頭工況下解析法計算結果

4.2 有限元法計算

（1）計算模型及邊界條件。根據蝸殼座環的結構特點，蝸殼進口段（第1 斷面）的應力最大，以該扇形區域為計算對象，不考慮混凝土聯合受力的影響。選取包含具有1 個完整固定導葉在內的360°/24 扇形區域為分析模型。全部采用SOLID95 單元和SOLID92 單元劃分網格，共劃分25621 個單元，86241 個節點。在切開斷面處，施加周期對稱邊界條件。在座環基礎把合螺栓分布圓處，約束相應節點的所有自由度。

（2）計算工況及載荷。蝸殼座環的計算載荷不考慮機組重力、混凝土重力、蝸殼及水體的重力。表5 給出了該電站水輪機蝸殼座環的計算工況和載荷。