高水頭水輪機(jī)底環(huán)的剛強(qiáng)度研究

陳光輝，龐立軍

（水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

1 前言

高水頭水輪機(jī)由于運(yùn)行水頭高、壓力大，底環(huán)的剛強(qiáng)度性能將是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。水輪機(jī)底環(huán)如采用下拆方案，則底環(huán)不埋入混凝土，和尾水錐管聯(lián)合受力。如采用埋入混凝土的方案，則由水輪機(jī)底環(huán)和混凝土聯(lián)合受力。

本文根據(jù)水輪機(jī)底環(huán)的埋設(shè)方式不同，采用單獨(dú)計(jì)算和聯(lián)合受力分析的方法，對(duì)底環(huán)的剛強(qiáng)度性能進(jìn)行了研究。

2 不同結(jié)構(gòu)形式水輪機(jī)底環(huán)的剛強(qiáng)度性能分析

2.1 埋入式水輪機(jī)底環(huán)

埋入式水輪機(jī)底環(huán)下端面直接與混凝土進(jìn)行接觸，底環(huán)的輻向筋板埋設(shè)在混凝土中。傳統(tǒng)的計(jì)算方法都是底環(huán)單獨(dú)計(jì)算，不考慮混凝土的影響，聯(lián)合受力分析則取底環(huán)、蝸殼座環(huán)、混凝土聯(lián)合造型進(jìn)行組合計(jì)算。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

表1為某電站埋入式水輪機(jī)底環(huán)單獨(dú)計(jì)算和聯(lián)合計(jì)算結(jié)果比較。單獨(dú)計(jì)算時(shí)，在導(dǎo)流板與上環(huán)板連接處出現(xiàn)局部高應(yīng)力，這是由于沒有考慮混凝土的支撐作用造成的。當(dāng)采用聯(lián)合受力分析時(shí)，底環(huán)的應(yīng)力分布變化相對(duì)比較均勻，并且沒有應(yīng)力集中，聯(lián)合受力分析底環(huán)的應(yīng)力和變形值比單獨(dú)計(jì)算減小很多。因此，對(duì)于埋入式水輪機(jī)底環(huán)，混凝土對(duì)水輪機(jī)底環(huán)的剛強(qiáng)度性能影響較大，是不能忽略的因素。

圖1 埋入式水輪機(jī)底環(huán)聯(lián)合受力分析有限元計(jì)算模型

表1 埋入式水輪機(jī)底環(huán)單獨(dú)計(jì)算和聯(lián)合計(jì)算結(jié)果比較

2.2 非埋入式水輪機(jī)底環(huán)

非埋入式水輪機(jī)底環(huán)多采用上拆或下拆式結(jié)構(gòu)，上拆式結(jié)構(gòu)底環(huán)直接固定于座環(huán)之上，與座環(huán)下端的基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行螺栓把合，基礎(chǔ)環(huán)埋設(shè)于混凝土之中。下拆式底環(huán)下端面直接與尾水管錐管相連接，尾水管錐管也是可拆卸式結(jié)構(gòu)，外側(cè)無混凝土澆注，因此，底環(huán)的剛強(qiáng)度性能直接受到錐管的影響。由于下拆式水輪機(jī)底環(huán)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，剛強(qiáng)度考核應(yīng)該關(guān)注，有限元計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 非埋入式底環(huán)聯(lián)合受力分析有限元計(jì)算模型

表 2、3分別為上拆式和下拆式水輪機(jī)底環(huán)單獨(dú)計(jì)算與聯(lián)合受力分析計(jì)算結(jié)果比對(duì)，從有限元計(jì)算結(jié)果中可以得出，單獨(dú)計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部高應(yīng)力，聯(lián)合受力分析應(yīng)力分布比較連續(xù)，不存在明顯的應(yīng)力集中。對(duì)于下拆式結(jié)構(gòu)，正常運(yùn)行工況為最危險(xiǎn)的工況，聯(lián)合受力分析底環(huán)的應(yīng)力值小于單獨(dú)計(jì)算結(jié)果，但是變形值大于單獨(dú)計(jì)算結(jié)果。

表2 非埋入上拆式水輪機(jī)底環(huán)單獨(dú)計(jì)算和聯(lián)合計(jì)算結(jié)果比較

表3 非埋入下拆式水輪機(jī)底環(huán)單獨(dú)計(jì)算和聯(lián)合計(jì)算結(jié)果比較

圖3 下拆式水輪機(jī)底環(huán)單獨(dú)計(jì)算和聯(lián)合受力分析應(yīng)力比較（正常運(yùn)行工況）

3 底環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

水輪機(jī)底環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到底環(huán)剛強(qiáng)度性能，分別采取改變底環(huán)的筋板厚度、導(dǎo)流板厚度、法蘭的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，通過有限元計(jì)算結(jié)果可以得出，輻向筋板和導(dǎo)流板的厚度對(duì)水輪機(jī)底環(huán)的剛強(qiáng)度性能影響比較明顯。隨著筋板厚度的增加，底環(huán)的應(yīng)力和變形都有減小的趨勢(shì)。埋入式水輪機(jī)底環(huán)的輻向筋板埋設(shè)在混凝土中，筋板適當(dāng)加厚就可以了，但是對(duì)于非埋入式水輪機(jī)底環(huán)，輻向筋板的作用應(yīng)該受到特別的關(guān)注，在設(shè)計(jì)的過程中適當(dāng)加厚輻向筋板的厚度，增加輻向筋板的環(huán)向布置數(shù)量，可以有效地提高底環(huán)的剛強(qiáng)度性能。

表4 水輪機(jī)底環(huán)不同筋板厚度有限元計(jì)算結(jié)果

水輪機(jī)底環(huán)的導(dǎo)流板直接受到水壓力的沖擊，屬于易損部件，導(dǎo)流板的尺寸要嚴(yán)格按照轉(zhuǎn)輪的流道尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，底環(huán)的最大變形位置通常出現(xiàn)在導(dǎo)流板與環(huán)板的搭接位置，導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)形式和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)直接影響到底環(huán)的整體剛強(qiáng)度性能。特別對(duì)非埋入下拆式水輪機(jī)底環(huán)結(jié)構(gòu)，外側(cè)無混凝土澆注，整個(gè)底環(huán)完全裸露在外面，導(dǎo)流板的作用就顯得更加突出。從表5中所列的有限元計(jì)算結(jié)果可以得出，隨著導(dǎo)流板厚度的增加，底環(huán)的最大應(yīng)力和變形值減小比較明顯。

表5 水輪機(jī)底環(huán)不同導(dǎo)流板厚度的有限元計(jì)算結(jié)果

法蘭結(jié)構(gòu)不同，作用于法蘭根部的彎曲應(yīng)力有很大的區(qū)別，表6為不同法蘭結(jié)構(gòu)形式的影響。 從計(jì)算結(jié)果中可以得出，雙法蘭結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形值明顯小于單法蘭結(jié)構(gòu)。雙法蘭結(jié)構(gòu)可以有效的提高水輪機(jī)底環(huán)的剛強(qiáng)度性能，建議在底環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在相同條件下優(yōu)先選擇雙法蘭結(jié)構(gòu)。

4 底環(huán)動(dòng)態(tài)特性研究

非埋入下拆式水輪機(jī)底環(huán)的整體結(jié)構(gòu)完全裸露在外面，底環(huán)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)性能有很大的影響。分別采取底環(huán)單獨(dú)計(jì)算和底環(huán)與尾水管錐管聯(lián)合計(jì)算的方法進(jìn)行比對(duì)分析，計(jì)算模型如圖4所示。

表6 底環(huán)不同法蘭結(jié)構(gòu)形式有限元計(jì)算結(jié)果

圖4 下拆式底環(huán)動(dòng)態(tài)特性分析模型

表7 水輪機(jī)底環(huán)動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算結(jié)果比對(duì)

從有限元計(jì)算結(jié)果可以得出，聯(lián)合計(jì)算考慮了尾水管錐管部分，整體模型質(zhì)量增加，剛度性能減弱，自振頻率數(shù)值比單獨(dú)計(jì)算減小很多，說明考慮尾水管錐管對(duì)底環(huán)的自振頻率影響比較明顯。在實(shí)際的機(jī)組安裝中，底環(huán)是與尾水管錐管進(jìn)行把合連接的，錐管下端允許有一定范圍的軸向移動(dòng)，因此，在對(duì)底環(huán)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性考核的時(shí)候，考慮尾水管錐管的影響是比較準(zhǔn)確的。

5 結(jié)論

（1）埋入式水輪機(jī)底環(huán)，混凝土對(duì)其的剛強(qiáng)度性能影響比較明顯。

（2）非埋入式水輪機(jī)底環(huán)下拆式結(jié)構(gòu)，整個(gè)底環(huán)裸露在外面，因此，底環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得同頂蓋一樣同等重要。底環(huán)的剛強(qiáng)度考核應(yīng)該受到特別的關(guān)注。

（3）底環(huán)的筋板、導(dǎo)流板厚度，法蘭結(jié)構(gòu)形式是底環(huán)應(yīng)力和變形最主要的影響因素，在底環(huán)的設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。雙法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)于單法蘭結(jié)構(gòu)，在同等條件下，建議優(yōu)先考慮雙法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（4）下拆式水輪機(jī)底環(huán)的動(dòng)態(tài)特性分析必須考慮尾水管錐管的影響。