抽水蓄能電站尾水錐管結構分析

劉晶石，呂桂萍，龐立軍

(1. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040)

前言

抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的水電站。又稱蓄能式水電站。它可將電網負荷低時的多余電能轉變為電網高峰時期的高價值電能，還適于調頻、調相、穩定電力系統的周波和電壓，且宜為事故備用，還可提高系統中火電站和核電站的效率。因此國內外開展了抽水蓄能課題的研究，并且修建了許多抽水蓄能電站[1]。

抽水蓄能電站運行具有幾大特性：既是發電廠，又是用戶，它的填谷作用是其他任何類型發電廠所沒有的；起動迅速，運行靈活、可靠，除調峰填谷外，還適合承擔調頻、調相、事故備用等任務[2]。目前，中國已建的抽水蓄能電站在各自的電網中都發揮了重要作用，使電網總體燃料得以節省，降低了電網成本，提高了電網的可靠性。

由于抽水蓄能機組的特殊性，其主要部件的性能更加引起重視。針對這一問題，本文利用有限元方法對某抽水蓄能電站錐管進行了有限元分析并確定其鋼板合理厚度，分析中忽略混凝土對錐管受力的影響。

1 基本參數

水輪機尾水錐管承受的主要載荷是來自其內部的水壓力和壓力脈動，表1中列出了某電站機組與計算載荷有關的主要參數。

表1 主要參數

該抽水蓄能電站錐管材料為Q345C，其材料性能及許用應力如表2所示。通常采用的應力準則為：

式中，σs——為材料的屈服極限。

水輪機尾水錐管由鋼板構成，最終方案中各部位鋼板厚度分別為：錐面板厚30mm、環形筋厚20mm、進人門座板厚50mm。

表2 錐管材料特性及許用應力

2 有限元模型

2.1 模型及邊界條件

利用 ANSYS軟件建立整個錐管的有限元分析模型，包括錐面、環向筋和進人門孔。選取每個節點具有六個自由度的8節點板殼單元SHELL93對錐管進行網格剖分，共剖分4526個單元，14015個節點，有限元網格剖分圖如圖1所示。施加相應的邊界條件，在錐管上端節點約束徑向位移，在下端節點約束全部位移。分析中忽略混凝土對結構強度的影響。

圖1 尾水錐管有限元模型

2.2 計算載荷

水輪機尾水錐管承受的主要載荷是錐管錐面上的水壓力和進人門門框四周的拉力。本文分析了靜水工況和水輪機正常運行工況下尾水錐管的強度特性以及運行中的疲勞特性。

2.2.1 靜水工況

靜水工況，錐管內部水壓力來自電站下游，因此，錐管內水壓力為：

式中：

P1——錐管內水壓力；

Hdownmax——下水庫設計洪水位；

H0——尾水錐管平均高程；

ρ——水密度。

進人門產生的拉力為：

式中：S——進人門面積，約為0.449m2。

2.2.2 水輪機正常運行工況

在水輪機正常運行工況，考慮了水流流動和壓力波動的影響，錐管內水壓力計算式為：

式中，ΔP——水輪機尾水錐管內壓力脈動幅值，取為(2%～4%)ρ×g×(Hupmax－Hdownmin)/106；

v——流速，取Q/(πR02)；

R0——錐管平均半徑，取1.7m。

由式(3)可得水輪機正常運行工況，錐管內水壓力為：

壓力波峰時：P2max=0.764MPa；

壓力均值時：P2avg=0.707MPa；

壓力波谷時：P2min=0.65MPa。

此時進人門產生的拉力為：

壓力波峰時：F2max=P2max×S=368300N；

壓力均值時：F2avg=P2avg×S=317160N；

壓力波谷時：F2min=P2min×S=266020N。

3 有限元分析結果

本文主要計算了靜水工況和水輪機正常運行工況下，尾水錐管的應力和變形。尾水錐管進人門處鋼板結構不連續，因此是錐管強度的薄弱環節，需要重點考核。圖2是靜水工況下，尾水錐管Von Mises應力分布圖，可見在進人門洞口四角處應力最大。為了防止在此處產生斷裂，可以選擇適當的圓角過渡，以減小應力集中的影響。圖3是靜水工況下，尾水錐管的綜合變形情況，可見變形量最大位置出現在進人門兩側，這是由環形筋板不連續引起的。其他工況的應力和變形分布與圖2和圖3類似，只是數值不同。不同工況下最大應力和變形如表3所示，可見局部最大應力略低于許用要求，說明此方案中鋼板厚度是經濟合理的。

表3 錐管Mises應力、變形計算結果

圖2 靜水工況錐管Von Mises應力分布

圖3 靜水工況綜合變形

水輪機正常運行時，尾水錐管進人門洞口受到交變壓力脈動的作用，容易產生疲勞裂紋[3]，因此本文分析了水輪機正常運行工況下，壓力脈動對尾水錐管產生的疲勞影響。由表3中數據可得尾水錐管所受的交變應力，如圖4所示，其中交變應力幅值為11.1MPa；平均應力為134.3MPa。忽略水的影響，按照空氣中疲勞分析，利用如下計算式[4]可以得到其安全系數為n=4.3，滿足設計要求。

式中：σ-1——材料對稱循環彎曲疲勞極限，σ-1=0.24(σb+σs)=190MPa；

σa——交變應力幅值；

σm——平均應力；

kσ——有效應力集中系數，取kσ=1；

ψσ——平均應力影響系數，取ψσ=0.2；

ε——尺寸系數，取ε=0.9；

β——表面光潔度系數，取β=0.75。

圖4 尾水錐管交變應力

4 結論

利用 ANSYS軟件對某抽水蓄能機組尾水錐管的剛強度特性進行了有限元分析，在錐管進人門洞口四角處存在局部高應力，通過選擇適當的圓弧過渡可以加以改進，并對局部高應力部位進行了疲勞分析，結果表明方案滿足許用要求。

[1]王永新. 抽水蓄能電站[J]. 水利天地, 1989, (6):10-11.

[2]黃阮明, 施濤. 國內外抽水蓄能電站的發展及思考[J]. 綜合研究, 2012, (9):181-182.

[3]陳光輝. 水輪機尾水管進人門結構方案與剛強度性能探討[J]. 大電機技術, 2011, (2):44-46.

[4]劉鴻文. 材料力學[M]. 北京: 高等教育出版社,2004.

[5]劉鳳珠. 大型抽水蓄能機組水輪機頂蓋、蝸殼和座環剛強度參數化方法計算[J]. 大電機技術,2010, (9):85-86.