高水頭水輪機底環的剛強度研究

陳光輝，龐立軍

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

1 前言

高水頭水輪機由于運行水頭高、壓力大，底環的剛強度性能將是設計的難點。水輪機底環如采用下拆方案，則底環不埋入混凝土，和尾水錐管聯合受力。如采用埋入混凝土的方案，則由水輪機底環和混凝土聯合受力。

本文根據水輪機底環的埋設方式不同，采用單獨計算和聯合受力分析的方法，對底環的剛強度性能進行了研究。

2 不同結構形式水輪機底環的剛強度性能分析

2.1 埋入式水輪機底環

埋入式水輪機底環下端面直接與混凝土進行接觸，底環的輻向筋板埋設在混凝土中。傳統的計算方法都是底環單獨計算，不考慮混凝土的影響，聯合受力分析則取底環、蝸殼座環、混凝土聯合造型進行組合計算。有限元計算模型如圖1所示。

表1為某電站埋入式水輪機底環單獨計算和聯合計算結果比較。單獨計算時，在導流板與上環板連接處出現局部高應力，這是由于沒有考慮混凝土的支撐作用造成的。當采用聯合受力分析時，底環的應力分布變化相對比較均勻，并且沒有應力集中，聯合受力分析底環的應力和變形值比單獨計算減小很多。因此，對于埋入式水輪機底環，混凝土對水輪機底環的剛強度性能影響較大，是不能忽略的因素。

圖1 埋入式水輪機底環聯合受力分析有限元計算模型

表1 埋入式水輪機底環單獨計算和聯合計算結果比較

2.2 非埋入式水輪機底環

非埋入式水輪機底環多采用上拆或下拆式結構，上拆式結構底環直接固定于座環之上，與座環下端的基礎環進行螺栓把合，基礎環埋設于混凝土之中。下拆式底環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構，外側無混凝土澆注，因此，底環的剛強度性能直接受到錐管的影響。由于下拆式水輪機底環結構的獨特性，剛強度考核應該關注，有限元計算模型如圖2所示。

圖2 非埋入式底環聯合受力分析有限元計算模型

表 2、3分別為上拆式和下拆式水輪機底環單獨計算與聯合受力分析計算結果比對，從有限元計算結果中可以得出，單獨計算時會產生局部高應力，聯合受力分析應力分布比較連續，不存在明顯的應力集中。對于下拆式結構，正常運行工況為最危險的工況，聯合受力分析底環的應力值小于單獨計算結果，但是變形值大于單獨計算結果。

表2 非埋入上拆式水輪機底環單獨計算和聯合計算結果比較

表3 非埋入下拆式水輪機底環單獨計算和聯合計算結果比較

圖3 下拆式水輪機底環單獨計算和聯合受力分析應力比較（正常運行工況）

3 底環結構優化分析

水輪機底環的結構設計直接關系到底環剛強度性能，分別采取改變底環的筋板厚度、導流板厚度、法蘭的結構形式進行分析，通過有限元計算結果可以得出，輻向筋板和導流板的厚度對水輪機底環的剛強度性能影響比較明顯。隨著筋板厚度的增加，底環的應力和變形都有減小的趨勢。埋入式水輪機底環的輻向筋板埋設在混凝土中，筋板適當加厚就可以了，但是對于非埋入式水輪機底環，輻向筋板的作用應該受到特別的關注，在設計的過程中適當加厚輻向筋板的厚度，增加輻向筋板的環向布置數量，可以有效地提高底環的剛強度性能。

表4 水輪機底環不同筋板厚度有限元計算結果

水輪機底環的導流板直接受到水壓力的沖擊，屬于易損部件，導流板的尺寸要嚴格按照轉輪的流道尺寸進行設計，底環的最大變形位置通常出現在導流板與環板的搭接位置，導流板的設計形式和設計結構直接影響到底環的整體剛強度性能。特別對非埋入下拆式水輪機底環結構，外側無混凝土澆注，整個底環完全裸露在外面，導流板的作用就顯得更加突出。從表5中所列的有限元計算結果可以得出，隨著導流板厚度的增加，底環的最大應力和變形值減小比較明顯。

表5 水輪機底環不同導流板厚度的有限元計算結果

法蘭結構不同，作用于法蘭根部的彎曲應力有很大的區別，表6為不同法蘭結構形式的影響。 從計算結果中可以得出，雙法蘭結構的應力和變形值明顯小于單法蘭結構。雙法蘭結構可以有效的提高水輪機底環的剛強度性能，建議在底環結構設計中，在相同條件下優先選擇雙法蘭結構。

4 底環動態特性研究

非埋入下拆式水輪機底環的整體結構完全裸露在外面，底環的動態特性對整個機組的振動性能有很大的影響。分別采取底環單獨計算和底環與尾水管錐管聯合計算的方法進行比對分析，計算模型如圖4所示。

表6 底環不同法蘭結構形式有限元計算結果

圖4 下拆式底環動態特性分析模型

表7 水輪機底環動態特性分析計算結果比對

從有限元計算結果可以得出，聯合計算考慮了尾水管錐管部分，整體模型質量增加，剛度性能減弱，自振頻率數值比單獨計算減小很多，說明考慮尾水管錐管對底環的自振頻率影響比較明顯。在實際的機組安裝中，底環是與尾水管錐管進行把合連接的，錐管下端允許有一定范圍的軸向移動，因此，在對底環進行動態特性考核的時候，考慮尾水管錐管的影響是比較準確的。

5 結論

（1）埋入式水輪機底環，混凝土對其的剛強度性能影響比較明顯。

（2）非埋入式水輪機底環下拆式結構，整個底環裸露在外面，因此，底環的結構設計變得同頂蓋一樣同等重要。底環的剛強度考核應該受到特別的關注。

（3）底環的筋板、導流板厚度，法蘭結構形式是底環應力和變形最主要的影響因素，在底環的設計中應該重點關注。雙法蘭結構優于單法蘭結構，在同等條件下，建議優先考慮雙法蘭結構設計。

（4）下拆式水輪機底環的動態特性分析必須考慮尾水管錐管的影響。