大型機組墊層蝸殼充水基礎抬升數值分析

朱文吉， 李 源， 陳昌林， 鄧建安

(東方電氣集團 東方電機有限公司， 四川 德陽 618000)

0 引 言

蝸殼作為水輪機組關鍵的受力部件和引水部件，其結構設計對機組安全運行具有重要意義[1].而蝸殼在充水后引起的機墩位置混凝土基礎抬升會傳遞到發電機軸承，進而影響機組的運行狀態，隨著大型水電機組向高水頭、大容量的趨勢發展，蝸殼直徑愈加巨大，蝸殼充水對混凝土層的作用也更加明顯[2].在實際工程中，為了減小蝸殼向混凝土基礎傳力，通常會在大型水輪機組蝸殼上側敷設彈性墊層，以達到改善蝸殼外圍混凝土層應力狀態的目的[3].而墊層的敷設范圍和厚度選擇，直接關系到土建結構和發電機部件的安全穩定.近年來，墊層蝸殼受到了科研與工程人員的廣泛關注，并對相關問題進行了探討[4-9].在此基礎上，本研究利用ANSYS-Workbench有限元分析工具，建立了墊層蝸殼—混凝土相互作用模型，模擬了多種工況蝸殼充水引起的下機架和定子機座基礎不平衡抬機問題，計算數據可用于發電機軸承精細化設計，也可為軸系安裝調試提供相關依據.

1 建模與計算

1.1 機組墊層參數

作為研究對象的某水輪機組額定出力784 MW，蝸殼進口直徑7.74 m，蝸殼厚度36～80 mm，最大水頭229.4 m，升壓水頭287 m.其蝸殼彈性墊層敷設方案為：蝸殼墊層平面布置范圍從蝸殼延伸段進口至蝸殼135 °，內側距機坑里襯1 500 mm起，外側至導水中心線高程，并覆蓋集水箱，彈性墊層厚度為20 mm.計算模型以單臺機組作為分析對象，上游取至廠壩分縫處，下游取至下游墻外表面，兩側以機組段永久縫為界，高度范圍從尾水管直錐段底部取至發電機定子基礎層.

1.2 計算模型建立

在對蝸殼座環、固定導葉結構強度計算中，需要建立相對詳盡的幾何模型以體現實際結構的細節.實際工程中的大型水輪機組蝸殼相鄰截面之間多個方向存在較大厚度差異，蝸殼與過渡板連接位置也有大范圍的厚度差，這給有限元建模帶來一定難度.用實體單元建立蝸殼模型技術上固然可行，但與混凝土及墊層接觸效果不理想.對此，本研究將蝸殼和過渡板用板殼單元模擬，其余結構仍采用實體單元模擬.

根據機組設計參數，本研究編寫了用于高效建立蝸殼模型的APDL命令流，座環和固定導葉采用整體建模，在Workbench工具中建立倒角模擬焊縫，并根據設計方案為蝸殼和過渡板各截面定義厚度，這樣可完全真實反映機組結構特征.座環蝸殼模型與混凝土做布爾運算后，用蝸殼建模類似方法可以方便地切分出彈性墊層實體模型，完全能夠適用于變厚度的墊層敷設方案.

在模型計算中， 混凝土參數為:彈性模量2.8×104N/mm2，泊松比0.18，密度2.548×10-6kg/mm3.聚氨酯軟木墊層材料參數為:彈性模量2.5 N/mm2，泊松比0.2.蝸殼、座環和固定導葉材料參數如表1所示.

表1 座環蝸殼材料機械特性表

本研究的實體模型和有限元網格如圖1所示.其中，蝸殼與座環環板綁定接觸，蝸殼與彈性墊層及混凝土的接觸面采用標準接觸單元.模型的計算程序為ANSYS-Workbench，Z向為垂直向上.

(a)墊層蝸殼混凝土實體模型

(b)墊層蝸殼混凝土有限元模型

(c)座環蝸殼實體模型

(d)座環蝸殼有限元模型

1.3 約束條件與計算工況

在有限元計算時，約束條件為：座環與基礎連接面給予完全約束，蝸殼進水口進行水流方向和環向位移約束；所取的混凝土區域底部進行全約束，其余邊界自由.

計算模型的受力情況為：下機架所受力由下機架重量、轉動部分重量及水推力組成；定子機座受力來自定子機座和上機架重量.該機組墊層蝸殼充水基礎抬升計算工況如表2所示.

表2 墊層蝸殼充水基礎抬升計算工況

1.4 計算結果

根據電機層實際布置情況，在模型中切分出下機架支腿和定子機座支腿位置，分別如圖2、3所示.

圖2混凝土基礎層下機架支腿布置示意圖

圖3混凝土基礎層定子機座支腿布置示意圖

1)計算3種工況下，蝸殼、混凝土變形情況以及下機架和定子機座各支腿Z向絕對變形.以升壓水頭工況為例，圖4給出了蝸殼、混凝土、下機架基礎和定子基礎Z向位移云圖，下機架和定子機座各支腿Z向抬升計算結果見表3、4.計算結果表明，3種工況下，蝸殼最大Z向位移依次為2.749 mm、2.733 mm和3.431 mm，混凝土最大Z向位移依次為1.184 mm、1.169 mm和1.475 mm.

(a)蝸殼Z向位移云圖(mm)

(b)混凝土Z向位移云圖(mm)

(c)下機架基礎Z向位移云圖(mm)

(d)定子基礎Z向位移云圖(mm)

表4 升壓水頭工況定子機座支腿Z向抬升量計算結果(mm)

2)3種工況下，下機架和定子機座各支腿基礎抬升分布規律如圖5、6所示.

圖5各工況下機架支腿Z向抬升曲線

圖6各工況定子機座支腿Z向抬升曲線

計算結果顯示，3種計算工況下機架基礎和定子機座基礎各支腿上抬量規律一致，抬升量最大的是壓力載荷居首的升壓水頭工況，其次是充水工況，最小出現在最大水頭工況.原因是充水工況尚未產生沿Z軸向下的水推力，上抬量較正常運行工況偏大，說明機墩抬升受水壓力和基礎載荷共同影響.下機架和定子機座各支腿最大抬升量均出現在+X方向順時針45°左右區域，該區域蝸殼被墊層覆蓋，雖然蝸殼變形遠小于墊層厚度，但仍有較大的作用力通過墊層傳遞到混凝土造成不平衡抬機所致.

2 結 論

本研究表明，機墩不平衡抬升受到水壓力和基礎載荷共同作用，各運行工況下的下機架和定子機座各支腿Z向不平衡抬升量分布規律基本一致，最大抬升量均出現在+X方向順時針45°區域.實際工程中，應注意充水狀態的參數收集和分析，以保證運行狀態的機組穩定性.本研究的方法和結果對墊層蝸殼的設計計算和發電機結構的優化調節具有一定的參考價值.