某電站水輪機頂蓋結構改進方案有限元分析

劉晶石，鐘 蘇，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

頂蓋是水輪機重要的支撐和過流部件，受到了眾多研究人員的重視[1-3]。在結構設計過程中，既要保證其水利性能要求，還要具有良好的剛強度特性和動態特性，以保證機組安全穩定運行。設計頂蓋結構時需要兼顧性能與材料成本，所以在設計時往往需要對原始設計方案進行改進，以實現性能與成本的最優化。本文針對某電站水輪機頂蓋結構設計中存在的問題，利用有限元法對比分析了頂蓋原始設計方案和改進方案的剛強度和動態特性。

表1 電站主要參數

1 基本數據

該電站頂蓋原始結構如圖1-(a)所示，經有限元計算發現結構存在局部應力過高和動態特性較差的問題。本文針對這些問題，提出了減小局部高應力和提高動態特性的改進結構，如圖1-(b)所示。對比兩種方案的模型可知其區別在于，改進方案是將輻向筋板外緣半徑縮小35mm，并在其外側增加立板，如圖1-(b)圓圈中所示。

該電站水頭和轉速等主要參數如表1所示。

本文分析頂蓋動態特性時考慮了相關部件附加重量對固有頻率的影響，涉及到的相關部件重量見表2。

表2 相關部件重量

該電站頂蓋材料為Q345B，其材料性能及許用應力如表3所示。

表3 頂蓋材料特性表

圖1 大坪頂蓋有限元計算模型

2 有限元模型

2.1 模型及邊界條件

頂蓋結構屬于周期對稱結構，文中頂蓋共有 20個導葉孔和10個輻向筋板。利用其對稱性切取包含2個導葉孔和 1個筋板在內的 1/10個頂蓋作為計算模型，并選擇每個節點具有3個自由度的20節點六面體單元SOLID95劃分網格。

在頂蓋剖切出的兩個對稱面上施加couple對稱邊界條件，頂蓋法蘭與座環把合面螺栓分布圓上約束相應節點自由度。

2.2 工況及載荷

因為水輪機正常運行工況，頂蓋承受的載荷最苛刻，所以本文只對水輪機正常運行工況下兩種結構的應力水平進行了對比分析。水輪機正常運行工況載荷見表4。

表4 各工況載荷列表

P1——頂蓋與座環密封與導葉分布圓之間的水壓力；

P2——導葉分布圓與轉輪進水半徑之間的水壓力；

P3——轉輪進水半徑與上密封之間的水壓力；

P4——轉輪上密封與主軸密封之間的水壓力。

3 結果分析

3.1 剛強度對比

本文對比分析了水輪機正常運行工況下，原始方案和改進方案結構的von mises應力分布和綜合變形結果。圖2-a)是原始方案頂蓋von mises應力分布，可見結構最大應力出現在輻向筋板與上法蘭板相交處的端部，最大應力達到354.9MPa，幾乎是許用值的兩倍，這顯然是不符合要求的。圖2-b)是改進方案頂蓋von mises應力分布，可見結構最大應力出現在輻向筋板、上法蘭板和立板相交處，最大應力為120.0MPa，滿足許用要求。兩種方案頂蓋的最大變形分別為0.284mm和0.162mm，說明改進結構的剛度優于原始方案。

3.2 動態特性對比

本文利用ANSYS軟件分別計算了兩種方案頂蓋的動態特性。計算過程中考慮了水導軸承重量、控制環重量、迷宮環密封重量、止漏環重量和活動導葉重量對動態特性的影響。通過有限元計算得到兩種方案頂蓋的前6階固有頻率如表5所示。

頂蓋的固有頻率主要應避開轉頻與葉片個數乘積的激振頻率及其倍頻。轉頻與葉片個數的乘積為17×600/60=170Hz，而其倍頻為340Hz。

圖2 兩方案von mises應力對比

表5 頂蓋固有頻率對比

從表4中頂蓋前6階固有頻率可以看出，原始設計方案的第1階固有頻率等于轉頻與葉片個數乘積的激振頻率，第3階固有頻率近似于轉頻與葉片個數乘積的倍頻，說明原始設計方案的動態特性很差，存在極大的共振可能，引起共振的頂蓋振型如圖3所示。而改進設計方案的前6階固有頻率較好的避開了上述激振頻率及其倍頻，說明改進方案的動態特性很好，不存在共振可能。

4 結論

利用ANSYS軟件，建立了水輪機頂蓋原始方案和改進方案的有限元模型，并對兩種方案的剛強度和動態特性進行了有限元對比分析。頂蓋原始方案 von mises應力最大值超過許用要求一倍，而改進方案應力水平較好、滿足許用要求；原始方案動態特性較差，第1和第3階固有頻率分別與轉頻與葉片個數乘積的激振頻率及其倍頻相吻合，將會引起共振，而改進方案動態特性較好，可避免發生共振。結果表明：改進方案在剛強度和動態特性方面均優與原始方案。

圖3 引起共振的頂蓋模態振型

[1]鐘蘇. 影響混流式水輪機頂蓋剛強度的主要因素分析[J]. 大電機技術, 1995(3): 36-40.

[2]龐立軍, 鐘蘇. 帶圓筒閥的水輪機頂蓋軸向剛度主要影響因素分析[J]. 大電機技術, 2010(1):54-57.

[3]龐立軍. ANSYS優化技術在水輪機頂蓋設計中的應用[J]. 上海大中型電機, 2007(4): 7-8.