中低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封計(jì)算

李 巍

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

中低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封計(jì)算

李 巍

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

中低水頭水輪機(jī)的導(dǎo)葉一般比較高，其剛度相對(duì)較弱，一般采用橡皮條止水密封裝置。但這種裝置不十分可靠，運(yùn)行中橡皮條容易磨損和脫落。如果直接靠金屬接觸面研合封水，由于非共面的操作力和摩擦力等的共同作用，導(dǎo)葉在全關(guān)閉后，其相鄰導(dǎo)葉的立面通常會(huì)存在一定的間隙。本文應(yīng)用ANSYS Workbench計(jì)算導(dǎo)葉在關(guān)閉時(shí)的變形情況，并依此修改導(dǎo)葉頭部密封面的形狀，使其相鄰導(dǎo)葉立面完全閉合。

水頭；水輪機(jī)導(dǎo)葉；剛度；有限元。

0 前言

水輪發(fā)電機(jī)組停機(jī)的時(shí)候，水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)必須封水嚴(yán)密，否則不但增加漏水量而且加劇間隙氣蝕破壞，導(dǎo)葉關(guān)閉后如漏水嚴(yán)重時(shí)，有可能造成機(jī)組無(wú)法停機(jī)。為了減少漏水，除了提高導(dǎo)葉加工精度以外，導(dǎo)葉上、下端面與頂蓋、底環(huán)之間，導(dǎo)葉與導(dǎo)葉之間的間隙應(yīng)盡可能的小。

對(duì)于中、低水頭的水輪機(jī)，導(dǎo)葉一般比較高，其剛度相對(duì)較弱，一般采用橡皮條止水密封裝置。但這種裝置不十分可靠，運(yùn)行中橡皮條容易磨損和脫落。為了采用直接靠金屬接觸面研合封水的方式，其關(guān)鍵是要精確設(shè)計(jì)導(dǎo)葉頭、尾部密封面的尺寸，以實(shí)現(xiàn)在操作力、摩擦力和水壓力共同作用下相鄰導(dǎo)葉密封面的完全接觸。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)從開(kāi)始關(guān)閉到全關(guān)閉的過(guò)程，相鄰導(dǎo)葉也由非接觸狀態(tài)到部分接觸狀態(tài)再最后到完全接觸狀態(tài)，其受力狀態(tài)是非常復(fù)雜的。要在如此復(fù)雜的條件下計(jì)算導(dǎo)葉的變形并依此確定密封面的尺寸是問(wèn)題的關(guān)鍵。本文利用有限元法對(duì)某電站的導(dǎo)葉進(jìn)行了仿真計(jì)算，給出了導(dǎo)葉密封面的精確尺寸以實(shí)現(xiàn)相鄰導(dǎo)葉立面的完全閉合。

1 基本參數(shù)

水輪機(jī)導(dǎo)葉在關(guān)閉的過(guò)程主要承受非共面的操作力和摩擦力，當(dāng)完全關(guān)閉后，還要承受水壓力。表 1給出某電站機(jī)組與計(jì)算相關(guān)的主要參數(shù)。圖1是導(dǎo)葉的簡(jiǎn)圖和主要尺寸。

表1 主要參數(shù)

圖1 某電站水輪機(jī)導(dǎo)葉簡(jiǎn)圖及主要尺寸

2 有限元建模

2.1 模型及邊界條件

計(jì)算導(dǎo)葉立面密封變形，須考慮相鄰導(dǎo)葉之間的接觸條件。根據(jù)周期對(duì)稱條件，取導(dǎo)葉在全關(guān)閉位置時(shí)的1/24為計(jì)算模型。導(dǎo)葉樞軸底面假設(shè)無(wú)摩擦剛性支撐，約束軸向位移；三個(gè)導(dǎo)葉樞軸軸承支撐處，約束樞軸外表面的徑向位移，并施加摩擦力矩；導(dǎo)葉頂部導(dǎo)葉臂施加操作力；導(dǎo)葉關(guān)閉后施加最高水頭的水壓，如圖2所示。有限元模型有438967個(gè)實(shí)體二次單元，1670791個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 導(dǎo)葉計(jì)算模型

2.2 計(jì)算載荷

計(jì)算導(dǎo)葉變形時(shí)須分兩步加載：第一步在相鄰導(dǎo)葉立面有相同間隙的情況下，先施加操作力（矩）和摩擦力矩，這時(shí)相鄰導(dǎo)葉立面會(huì)有接觸，第二步再施加水壓力。其中為保守起見(jiàn)，操作力取最大操作力的50%。水壓力按最高水頭計(jì)算，加載步驟由程序自動(dòng)完成。

3 有限元計(jì)算和分析

通常設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉瓣體各個(gè)橫斷面的尺寸都是相同的，在非共面的操作力（矩）和摩擦力矩作用下會(huì)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形。如果變形很小，當(dāng)相鄰導(dǎo)葉接觸后，而操作油壓達(dá)到額定油壓時(shí)，在操作力（矩）和水壓共同作用下仍能有密封作用。對(duì)于中低水頭水輪機(jī)，其導(dǎo)葉比較高，剛度相對(duì)較弱，扭轉(zhuǎn)變形較大。本文首先計(jì)算導(dǎo)葉從即將關(guān)閉到完全關(guān)后導(dǎo)葉的變形，如圖3所示。從圖中可觀察到，當(dāng)導(dǎo)葉到達(dá)全關(guān)位置后仍有較大間隙，最大間隙為 0.5mm，顯然不能滿足設(shè)計(jì)要求。

從計(jì)算結(jié)果看，由于操作力（矩）和摩擦力矩的作用，在關(guān)閉前產(chǎn)生小的扭轉(zhuǎn)變形，使得相鄰導(dǎo)葉上面部分先接觸在一起。隨著操作力的增加，接觸面和摩擦力也在增加。當(dāng)操作力和摩擦力達(dá)到平衡狀態(tài)，相鄰導(dǎo)葉下面仍沒(méi)有接觸上或只是剛剛接觸，在水壓力作用下就會(huì)加大兩個(gè)導(dǎo)葉之間的間隙。根據(jù)導(dǎo)葉的受力特點(diǎn)，為了避免導(dǎo)葉上面先接觸，需要將導(dǎo)葉頭部密封面改成一個(gè)斜面，即在原導(dǎo)葉上沿高度方向切出一個(gè)上大下小的斜面。斜面的大小取決于導(dǎo)葉的初始扭轉(zhuǎn)變形。通過(guò)多次試算，最終確定在導(dǎo)葉頭部密封面，從導(dǎo)葉瓣體上端面沿厚度方向減去0.8mm至下端面切一個(gè)近似三角形的小斜面。這樣在導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，相鄰導(dǎo)葉的下面部分首先接觸，然后在操作油壓達(dá)到額定油壓后導(dǎo)葉立面會(huì)完全接觸，并且在水壓共同作用時(shí)仍然保持接觸狀態(tài)。修改后導(dǎo)葉的變形結(jié)果如圖4所示，全部24個(gè)導(dǎo)葉修改后的變形如圖5所示，導(dǎo)葉的最大變形在導(dǎo)葉的中部，為1.49mm。

圖3 原設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉變形

圖4 修改后的導(dǎo)葉變形

圖5 全部導(dǎo)葉修改后的變形圖

4 結(jié)論

利用ANSYS Workbench軟件對(duì)中、低水頭水輪機(jī)導(dǎo)葉立面密封進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明通過(guò)對(duì)導(dǎo)葉尾部密封面進(jìn)行適當(dāng)修改，完全可以實(shí)現(xiàn)直接靠金屬接觸面研合的方式封水。

工學(xué)學(xué)士；1994年畢業(yè)于華中理工大學(xué)，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)分析和振動(dòng)測(cè)試研究。

審稿人：卜良峰

Discussion on the Factors Affecting the Calculation of Critical Speed of Hydraulic Generator

LI Wei
（Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China）

The guide vane of the low head turbine is higher generally, so It’s stiffness is relatively weak. Normally used for section rubber seal sealing device. But this device is not reliable because of the rubber easy to wear and loss. If direct research on metal surface to seal, such as operating force and friction of non - coplanar work wicket after all closed, its facade is usually adjacent guide vanes there is a gap. Application of Ansys workbench when calculating the guide vanes at the close of this article deformation, and this modification guide vanes of the head sealing surface shape, completely closed off to the adjacent guide vanes facade.

head; guide vane; stiffness; finite-element

TK730.2

A

1000-3983(2014)03-0074-03

2013-05-20

李巍（1961-），1982年畢業(yè)于甘肅工業(yè)大學(xué)，