基于ANSYS的水電機組結構特性分析

孫鏑涵，羅南華，王丁一，孫照宇

（1.長春工程學院能源動力工程學院，吉林 長春 130000；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118000；3.太平灣發電廠，遼寧 丹東 118000）

0 引言

目前，我國水電事業發展穩健增長。2020年3月22日為止，我國在運抽水蓄能電站裝機規模達到3 179萬kW，預期到2025年，在運裝機總規模將達到6 200萬kW。抽水蓄能電站具有啟動迅速，運行靈活的優點，可承擔調峰填谷、調頻、調相、事故備用等多種任務。但因為其機組運行工況復雜、啟停頻繁，比常規機組更易發生振動問題。劇烈振動能對機組的結構造成破壞，降低使用壽命，大大降低機組運行效率和機組出力[1]。同時還會影響各種儀器儀表的正常運行和使用，甚至危害操作人員的身體健康[2]。所以在設計及改造過程中必須分析機組結構特性，以便為機組的振動分析和提前預防提供有力的數據支撐。

下機架和頂蓋是機組的重要部件，在傘式機組中下機架是整個機組的主要承重部件，下機架足夠的剛強度是機組安全運行的關鍵。頂蓋是水輪機的重要過流部件和承重部件，其特性會直接影響水輪機的穩定運行。本文通過SolidWorks軟件對某抽水蓄能電站的下機架和頂蓋進行建模，再利用ANSYS軟件對其進行靜力分析和模態分析，檢驗結構的剛強度，復核結構的固有頻率，并與常見的激振頻率相比較，為機組振動分析研究提供了重要的基礎。

1 某電站基本參數

某抽水蓄能電站的水輪機和發電機主要參數如表1、表2所示。

表1 發電機主要參數

表2 水輪機主要參數

本文進行結構力學分析時考慮了下機架和頂蓋實際的承重情況，所承重的部件重量見表3。

表3 相關部件重量

立筋是下機架中主要承重部件，材料為16MnR，其材料特性見表4。

表4 立筋材料特性

水輪機頂蓋材料主要為16Mn，其材料特性見表5。

表5 頂蓋材料特性

2 有限元建模

下機架和頂蓋均為軸對稱結構。下機架為承重機架，主要由徑向支臂和中心體構成，支臂末端的基礎板和支撐板分別于基礎軸向和徑向把合。頂蓋主要由上面板、下面板、徑向筋板構成，頂蓋法蘭于座環上環向把合，一起構成導水機構的一部分。下機架和頂蓋的圖紙如圖1所示。

圖1 下機架、頂蓋圖紙

本文采用的有限元建模方案是先使用SolidWorks軟件進行幾何模型的建立，再將模型導入ANSYS軟件中，設置網格與邊界條件完成有限元模型的建立。有限元建模可以用有限的、相互關聯的單元模擬無限的復雜體，無論多么復雜的幾何體都能用相應的單元簡化，從而建模分析計算出結果。

2.1 幾何模型建立

模型建立采用先對下機架和轉輪部分建模，再運用鏡像功能生成整體模型的方案。由于部件的厚度較寬、剛度較大，均采用solid實體單元進行建模。在建模過程中，忽略一些對仿真結果影響很小的結構，如螺栓孔、墊圈、薄板等。建模完成后，依照實際機組結構將部分分塊的模型組合成多體零件，保證結構的完整性。下機架和頂蓋的模型如圖2所示。

圖2 下機架、頂蓋模型圖

2.2 網格劃分

在全局網格設置中將網格分辨率設為5，先進行整體網格劃分，再對網格較稀疏部分采用局部網格進行加密。對于形狀較為規整的部件采用掃掠網格畫法，對形狀不規整的部件進行分塊處理，再采用多區網格畫法。經過多次調整使網格的正交質量達到0.8以上，可以較為準確的模擬實際情況。網格節點和單元數見表6。

表6 節點和單元數

下機架和頂蓋網格模型如圖3所示。

圖3 下機架、頂蓋網格模型圖

2.3 邊界條件

2.3.1 靜力分析邊界條件

森林撫育即在造林后到郁閉期開展的多項林木撫育管理工作，致力于為幼木創造良好的生長環境，最大限度為之提供適宜的光照條件、溫度條件、水分、養分等，提升幼木成活率。森林撫育管理工作具體包括土壤管理、林木管理、幼木保護等多項工作。

對下機架支臂的螺栓孔施加固定約束，對支臂與徑向基礎連接處施加僅壓縮約束，以上約束模擬下機架與基礎的連接狀態。對頂蓋底部螺栓孔施加固定約束，模擬頂蓋和座環的把合狀態。

在軸向，下機架主要承受制動器、下導軸承、推力軸承、機組轉動部分的重力和水推力，對于機組轉動部分的重力和水推力用推力軸承的推力負荷作為代替。頂蓋主要承受控制環、活動導葉、水導軸承、主軸密封的重力和水壓力。以上所受到的力均以力載荷的形式模擬實際情況。

在徑向，下機架受到導軸承的作用力，頂蓋受到水導軸承的作用力。以上所受到的力均以軸承載荷的形式模擬實際情況。

2.3.2 模態分析邊界條件

模態分析與外界載荷無關，所以只保留靜力分析中的固定約束和僅壓縮約束，其余邊界條件均抑制。

3 計算結果及分析

3.1 靜力分析

靜力分析可以檢驗在額定工況的多種載荷下下機架和頂蓋的應力分布和結構變形情況，將分析結果與標準值做對比，判斷結構的剛強度。二者的強度將直接決定結構是否發生破壞，從而影響機組的安全運行；而剛度會直接影響整個機組的振動以及主軸的擺度，進而影響機組的穩定運行[3]。對下機架和頂蓋進行靜力分析，得到等效應力分布和結構變形情況，如圖4所示，應力大小和變形程度如圖中左側圖例所示，紅色代表應力最大處或變形最劇烈處，藍色代表應力或變形最小處。

圖4 應力分布、結構變形圖

由圖4可知：

（2）下機架的最大變形位于上圓板邊部，具體數值為0.59 mm，設計標準要求承重機架最大變形不超過1 mm，所以下機架滿足剛度設計要求。頂蓋的最大變形位于底部圓環處，具體數值為0.44 mm。由經驗公式可得出頂蓋最大變形一般不超過0.2D/1 000=1.082 mm[4]，D為導葉分布直徑。分析結果明顯符合要求，頂蓋滿足剛度設計要求。

對比兩個部件，下機架作為主要載重部件的數值明顯大于頂蓋，符合實際情況。

3.2 模態分析

模態分析是用來確定結構振動特性的一種方法，從而判斷結構在常見激勵下是否發生共振。對下機架和頂蓋進行模態分析，得到前6階的固有頻率、振型和頂蓋節徑數。下機架的固有頻率見表7，頂蓋的固有頻率和節徑數見表8。

表7 下機架固有頻率

表8 頂蓋固有頻率及節徑數

下機架和頂蓋的振型如圖5、圖6所示，其中紅色為結構變形最劇烈的區域。

圖5 下機架振型圖

圖6 頂蓋振型圖

下機架的固有頻率應避開轉頻及其倍頻，特別是推力瓦數和發電機磁極對數的倍頻，即12倍和9倍頻，其計算公式為：

式中：n額為機組額定轉速。12倍頻和9倍頻分別為 66.6 Hz、49.95 Hz。

還應避開極頻及其倍頻，極頻為50 Hz，其倍頻選擇為100 Hz和150 Hz。可見下機架的固有頻率均避開多組激振頻率，且避開范圍大于10%，不會引起下機架共振。

頂蓋的固有頻率應避開轉輪葉片個數與轉頻乘積，其計算公式為：

式中：n額為機組額定轉速，Zr為轉輪葉片個數。

還應避開動靜干涉引起的激振頻率，其計算公式為：

式中：n為導葉通過頻率諧波階次，m為葉片通過下諧波階次，Zg為活動導葉個數，k為節徑數。由表8可知前6階出現的節徑數，當節徑數為1時，n=4，m=9，引起的激振頻率為450 Hz；當節徑數為2時，n=1，m=2，引起的激振頻率為100 Hz。可以看出頂蓋的固有頻率均避開了兩種激振頻率，且避開范圍大于10%，不會引發頂蓋共振[5]。

4 結語

本文通過ANSYS軟件，對某抽水蓄能電站的下機架和頂蓋進行了結構特性分析，由靜力分析結果可知等效應力和最大變形都小于標準值，所以結構具有良好的剛強度；由模態分析結果可知前6階固有頻率均避開了主要激振頻率，所以主要激振力不會引發整個機組共振。由此可得出結論：下機架和頂蓋具有良好的結構特性。