貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體的剛強(qiáng)度研究

陳光輝，李紅亮

(1．哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江 哈爾濱150040;2．中原油田石油化工總廠，河南 濮陽457165)

0 引言

由于燈泡貫流式機(jī)組為臥式結(jié)構(gòu)，水流沿流道幾乎呈直線狀沖擊轉(zhuǎn)輪葉片，因此，在實際使用時，對連接葉片的轉(zhuǎn)輪體的剛強(qiáng)度考核要求很嚴(yán)格。本文分別采取單獨計算和聯(lián)合受力分析的方法對轉(zhuǎn)輪體的剛強(qiáng)度性能進(jìn)行考核，并應(yīng)用解析計算對考核結(jié)果進(jìn)行驗證分析。

1 有限元計算分析

1.1 轉(zhuǎn)輪體單獨計算分析

對轉(zhuǎn)輪體剛強(qiáng)度性能進(jìn)行考核時，采取轉(zhuǎn)輪體單獨計算方法，轉(zhuǎn)輪體大小樞軸孔受到葉片傳遞的彎曲力通過壓力載荷進(jìn)行模擬。根據(jù)轉(zhuǎn)輪體的結(jié)構(gòu)特點，選取1/4轉(zhuǎn)輪體作為有限元分析模型，有限元分析模型如圖1所示。

基本計算參數(shù):最大水頭為15.5 m;額定水頭為14.4 m;葉片個數(shù)為4個;額定功率為21.76 MW;額定轉(zhuǎn)速為142.8 r/min;飛逸轉(zhuǎn)速為440 r/min。

圖1 轉(zhuǎn)輪體單獨計算有限元分析模型

貫流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片采用轉(zhuǎn)槳式結(jié)構(gòu)，葉片可以隨負(fù)荷的變化與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉聯(lián)動。

1.2 聯(lián)合計算分析

在貫流式機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體實際安裝中，上部與主軸連接，下部接泄水錐，轉(zhuǎn)輪體上裝有全部葉片和操作機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。為了反映轉(zhuǎn)輪體的應(yīng)力和變形分布情況，采取轉(zhuǎn)輪體、大樞軸、小樞軸、轉(zhuǎn)輪葉片聯(lián)合計算的方法進(jìn)行分析。有限元計算模型如圖2所示。

1.3 計算結(jié)果分析

表1為轉(zhuǎn)輪體單獨計算和聯(lián)合受力分析計算結(jié)果比較。從計算結(jié)果可以看出，單獨計算和聯(lián)合計算都存在局部的應(yīng)力集中，這是邊界條件的施加方法和局部網(wǎng)格劃分不連續(xù)導(dǎo)致的，聯(lián)合計算結(jié)果明顯小于單獨計算結(jié)果，特別對于飛逸工況，單獨計算往往會在轉(zhuǎn)輪體大樞軸孔的靠近下游側(cè)存在明顯的局部高應(yīng)力;當(dāng)采用聯(lián)合計算分析時，得出轉(zhuǎn)輪體的應(yīng)力分布變化比較平緩，無明顯的局部應(yīng)力集中。

2 解析計算轉(zhuǎn)輪體的彎曲應(yīng)力［1］

在計算轉(zhuǎn)輪體應(yīng)力時，需要考核正常工況和飛逸工況。

2.1 正常工況

孔間壁最弱斷面由于樞軸內(nèi)支反力F1產(chǎn)生的彎矩為［2］

孔間壁最弱斷面由于樞軸外支反力F2產(chǎn)生的彎矩為［3］

葉片系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時的離心力為

孔間壁最弱斷面由于葉片系統(tǒng)離心力產(chǎn)生的彎矩為

轉(zhuǎn)輪體的平均彎曲應(yīng)力為 δmax=δF1+δF2+δC=24.32 MPa。

2.2 飛逸工況

葉片系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時的離心力為

表1 轉(zhuǎn)輪體單獨計算和聯(lián)合受力分析計算結(jié)果比較

在飛逸工況下，轉(zhuǎn)輪葉片受到水壓力對轉(zhuǎn)輪體應(yīng)力影響很小，可以忽略不計，轉(zhuǎn)輪體只受到葉片的離心力作用，所以葉片離心力作用帶來的彎曲應(yīng)力為

從解析計算的結(jié)果可以看出，解析法計算出的轉(zhuǎn)輪體的平均彎曲應(yīng)力和聯(lián)合受力分析的平均應(yīng)力比較接近。

3 結(jié)論

有限元計算分析和轉(zhuǎn)輪體彎曲應(yīng)力的解析計算結(jié)果表明，在貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體進(jìn)行剛強(qiáng)度性能分析時，飛逸工況是最危險的工況。聯(lián)合受力分析計算結(jié)果明顯小于單獨計算結(jié)果，應(yīng)力分布比較均勻，在飛逸工況出現(xiàn)高應(yīng)力點比較相近，無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，說明聯(lián)合計算分析通過各部件之間的接觸模擬，能真實反映轉(zhuǎn)輪體在實際運行中的應(yīng)力變化情況。

［1］哈爾濱大電機(jī)研究所．水輪機(jī)設(shè)計手冊［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976．

［2］格．斯．皮薩連柯．材料力學(xué)手冊［M］．石家莊:河北人民出版社，1985．

［3］陶紅，姜劍鋒．大中型燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡介［J］．電站系統(tǒng)工程，2003(9)．