基于ANSYS Workbench的水輪機(jī)頂蓋螺栓有限元分析

趙俊杰，余 波，歐 前，蘇 婷，王 懿

(西華大學(xué)流體及動力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

某電站控制流域面積76 130 km2，多年平均流量1 500 m3/s。大壩為混凝土重力壩，最大壩高85.6 m，電站設(shè)計水頭48.00 m，最大水頭53.08 m，最小水頭34.70 m。總庫容3.1×108m3，水電站裝機(jī)容量770 MW，保證出力179 000 kW，多年平均發(fā)電量34.2×108kW·h。水輪機(jī)頂蓋與座環(huán)之間的聯(lián)接螺栓對保證水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。2009年俄羅斯薩揚(yáng)電站發(fā)生的廠毀人亡事故，其事故主要原因之一就是水輪機(jī)頂蓋與座環(huán)之間的聯(lián)接螺栓失效。2016年國內(nèi)某電站水淹廠房事故也是水輪機(jī)頂蓋聯(lián)接螺栓因強(qiáng)度不足，斷裂所致。類似于此種事故的多次出現(xiàn)，也引起了中國相關(guān)行業(yè)的高度關(guān)注[1]。因此，開展水輪機(jī)頂蓋與座環(huán)之間的聯(lián)接螺栓的強(qiáng)度分析十分必要。在國內(nèi)，河海大學(xué)研究了軸流式水輪機(jī)內(nèi)外頂蓋螺栓的強(qiáng)度分析，得出螺栓的平均應(yīng)力和危險截面的位置[2]。程帥等[3]研究了受大脈沖的端蓋法蘭構(gòu)型的螺栓預(yù)緊力的設(shè)計原理，發(fā)現(xiàn)了螺栓預(yù)緊力和脈沖載荷對螺栓總體的拉伸變形量存在最小的極值點(diǎn)。Wang等[4]通過應(yīng)力分布分析，建立了相互作用剛度模型，研究了相互作用剛度對螺栓預(yù)緊力變化的影響。Wang等[5]提出了一種微型螺釘張力測量與控制方法，并對微型螺釘?shù)臄Q緊過程進(jìn)行了研究。此次的研究內(nèi)容為：建立的頂蓋、座環(huán)及其聯(lián)接螺栓三維模型；采用有限元計算軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；加載水壓力、螺栓預(yù)緊力、各部件重力等荷載，根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對計算結(jié)果進(jìn)行剛強(qiáng)度分析。

1 三維模型建立

1.1 頂蓋的建立

水輪機(jī)頂蓋主要由外法蘭、內(nèi)上面板、內(nèi)下面板、外上面板、外下面板、外環(huán)板和筋板組成，材料為Q345。三維模型見圖1。

圖1 水輪機(jī)頂蓋模型

1.2 座環(huán)的建立

座環(huán)由23個固定導(dǎo)葉和上下環(huán)組成，材料為S550Q-Z25。三維模型見圖2。

圖2 水輪機(jī)座環(huán)

1.3 螺栓的建立

水輪機(jī)頂蓋與座環(huán)聯(lián)接螺栓是定制的M64雙頭螺栓，螺栓材料為8.8級的合金鋼，聯(lián)接螺栓模型和水輪機(jī)頂蓋、座環(huán)及其聯(lián)接螺栓的裝配模型見圖3—5。

注：A—螺紋尺寸；B—倒角；C—直徑；其余字母為相關(guān)尺寸。

圖4 螺栓三維模型

圖5 水輪機(jī)頂蓋、座環(huán)及聯(lián)接螺栓裝配體

2 數(shù)值計算

2.1 計算參數(shù)

本階段暫時考慮頂蓋及頂蓋與座環(huán)聯(lián)接螺栓在不同甩負(fù)荷工況下可能受到的最大荷載，所需要的荷載根據(jù)1號機(jī)組甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)記錄可以得到，并選取3個不同甩負(fù)荷工況下的3個水壓力作為此次模擬的計算工況，分別為甩30.6、82.5、110 MW負(fù)荷時，具體數(shù)據(jù)見表1。由于現(xiàn)有資料有限，本次計算用蝸殼處壓力代替頂蓋所受水壓力。活動導(dǎo)葉套筒處施加垂直于頂蓋的力，大小為1 154 901.87 N，水導(dǎo)軸承質(zhì)量為7 700 kg，真空壓力為-0.05 MPa。施加的螺栓預(yù)緊力為294 494.45 N。水輪機(jī)頂蓋、座環(huán)以及之間的聯(lián)接螺栓的材料參數(shù)見表2[6]。

表1 甩負(fù)荷記錄

表2 材料參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

本文采用的網(wǎng)格為四面體與六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方式，最終的網(wǎng)格單元總數(shù)約為340萬，網(wǎng)格單元節(jié)總點(diǎn)數(shù)約為530萬。在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，對頂蓋與座環(huán)聯(lián)接螺栓和頂蓋與座環(huán)接觸面進(jìn)行了局部加密。在數(shù)值模擬過程中，進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，將節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加至原來的2倍左右，計算結(jié)果偏差在1.5%以內(nèi)，證明頂蓋、座環(huán)以及聯(lián)接螺栓組合體網(wǎng)格模型滿足有限元計算網(wǎng)格無關(guān)性要求，可用于頂蓋、座環(huán)以及聯(lián)接螺栓組合體的三維有限元靜力學(xué)計算[3]。對于螺栓螺紋處進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，采用虛擬螺紋，可以減少建模時對螺紋的建立，從而減少小面的產(chǎn)生，進(jìn)而減少網(wǎng)格的數(shù)量，減少了計算機(jī)在計算時所用的時間。設(shè)置螺紋公差等級為6g，螺距為1.5 mm，網(wǎng)格最大尺寸為4 mm。網(wǎng)格劃分的詳細(xì)參數(shù)見表3，網(wǎng)格劃分的結(jié)果見圖6、7。

表3 各部件網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量

圖6 頂蓋、座環(huán)與聯(lián)接螺栓的局部放大

圖7 座環(huán)與頂蓋聯(lián)接螺栓有限元模型

2.3 接觸及邊界條件

模型的接觸主要包括綁定接觸、不分離接觸、無摩擦接觸、粗糙接觸以及有摩擦接觸。此次因?yàn)椴考M成較多，類比其他電站的設(shè)置采用以下接觸方式：①頂蓋與座環(huán)間、螺母與頂蓋外法蘭間為摩擦接觸[15]；②頂蓋分半面間為綁定接觸；螺柱與座環(huán)螺紋孔間為綁定接觸；③螺母與螺柱間為綁定接觸[2，7-10]。其他具體約束及邊界條件見圖8。

注：A—固定約束；B—重力，對整個模型設(shè)置重力；C—水壓力(實(shí)際測點(diǎn)數(shù)據(jù)，均布施加)；D—活動導(dǎo)葉重力；E—水導(dǎo)軸承重力；G、H、I、J—聯(lián)接螺栓的螺栓預(yù)緊力。

3 計算結(jié)果分析

利用ANSYS商業(yè)軟件對頂蓋、座環(huán)以及聯(lián)接螺栓進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，包括求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力[11]。

3.1 工況一計算結(jié)果

在正常蓄水位，帶30.6 MW負(fù)荷工況下，在頂蓋與座環(huán)間的聯(lián)接螺栓施加了295 kN的螺栓預(yù)緊力，此時水輪機(jī)頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間密封腔所受的水壓為0.20 MPa，水輪機(jī)導(dǎo)葉區(qū)頂蓋受到的水壓力為0.56 MPa。頂蓋、螺栓應(yīng)力、變形分布見圖9—11。

圖9 水輪機(jī)頂蓋應(yīng)力與變形

圖10 聯(lián)接螺栓整體應(yīng)力與變形分布

圖11 典型螺栓應(yīng)力與變形分布

根據(jù)圖10、11可以得出，在該工況下，大多數(shù)聯(lián)接螺栓的最大應(yīng)力分布在300～500 MPa之間，在94顆螺栓中，螺栓的最大應(yīng)力為485.7 MPa，該應(yīng)力出現(xiàn)在退刀槽與螺栓第一條螺紋結(jié)合處，在螺栓的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，變形最大值為0.958 mm，符合螺栓的強(qiáng)度要求[12-13]。

3.2 工況二計算結(jié)果

在正常蓄水位，帶82.5 MW負(fù)荷工況下，在頂蓋與座環(huán)間的聯(lián)接螺栓施加了295 kN的螺栓預(yù)緊力，此時水輪機(jī)頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間密封腔所受的水壓為0.20 MPa，水輪機(jī)導(dǎo)葉區(qū)頂蓋受到的水壓力為0.82 MPa。頂蓋、螺栓的應(yīng)力、變形分布見圖12—14。

圖12 水輪機(jī)頂蓋應(yīng)力與變形

圖13 聯(lián)接螺栓整體應(yīng)力與變形分布

圖14 典型螺栓應(yīng)力與變形分布

根據(jù)圖13、14可以得出，在該工況下，大多數(shù)聯(lián)接螺栓的最大應(yīng)力分布在300～500 MPa之間，在94顆螺栓中，螺栓的最大應(yīng)力為580.96 MPa，該應(yīng)力出現(xiàn)在退刀槽與螺栓第一條螺紋結(jié)合處，在螺栓的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，變形最大值為1.23 mm，符合螺栓的強(qiáng)度要求。

3.3 工況三計算結(jié)果

在正常蓄水位，帶110 MW負(fù)荷工況下，在頂蓋與座環(huán)間的聯(lián)接螺栓施加了295 kN的螺栓預(yù)緊力，此時水輪機(jī)頂蓋與轉(zhuǎn)輪之間密封腔所受的水壓為0.20 MPa，水輪機(jī)導(dǎo)葉區(qū)頂蓋受到的水壓力為0.78 MPa。頂蓋、螺栓應(yīng)力、變形分布見圖15—17。

圖15 水輪機(jī)頂蓋應(yīng)力與變形

根據(jù)圖16、17可以得出，在該工況下，大多數(shù)聯(lián)接螺栓的最大應(yīng)力分布在300～500 MPa之間，在94顆螺栓中，螺栓的最大應(yīng)力為576.82 MPa，該應(yīng)力出現(xiàn)在退刀槽與螺栓第一條螺紋結(jié)合處，在螺栓的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，變形最大值為1.23 mm，符合螺栓的強(qiáng)度要求。

圖16 聯(lián)接螺栓整體應(yīng)力與變形分布

圖17 典型螺栓應(yīng)力與變形分布

3.4 總結(jié)

3種工況計算數(shù)據(jù)見表4。

表4 聯(lián)接螺栓計算結(jié)果

由表4可以得出聯(lián)接螺栓在運(yùn)行中所受最大應(yīng)力為580.36 MPa，最大變形為1.23 mm，在許用范圍內(nèi)，符合強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS數(shù)值模擬平臺，采用有限元分析方法，施加電站實(shí)際甩負(fù)荷工況下荷載，得到以下結(jié)論。

a)在正常蓄水位，帶82.5 MW負(fù)荷工況下，頂蓋與座環(huán)間的聯(lián)接螺栓所受的應(yīng)力最大，螺栓的最大等效應(yīng)力為580.36 MPa(小于屈服強(qiáng)度640 MPa)，最大變形為1.23 mm。依據(jù)相關(guān)規(guī)范，計算結(jié)果符合規(guī)范要求，并與實(shí)際情況相符合。

b)螺栓聯(lián)接部件的配合斷面附近出現(xiàn)最大應(yīng)力，即為最危險截面，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。因此可采用超聲裝置監(jiān)測螺栓的殘余應(yīng)力對其進(jìn)行監(jiān)控。