某圓柱式導水機構聯合受力研究及其對比分析

李國慧

(浙江富春江水電設備有限公司，杭州　310013 )

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某圓柱式導水機構聯合受力研究及其對比分析

李國慧

(浙江富春江水電設備有限公司，杭州310013 )

摘要：選取某水輪發電機組圓柱式導水機構的真實結構，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對導水機構進行了聯合受力研究，并與傳統單個部件的分析結果進行了比較，通過對比可知導水機構聯合受力分析具有顯著的優點，可為接力器壓緊行程的確定提供更準確的依據。

關鍵詞：圓柱;導水機構；有限元法；聯合分析；ANSYS Workbench

0前言

水輪機導水機構是水輪發電機組最為重要的組成部分之一，主要由導葉、導葉操作機構、環形部件和軸套、密封等部件組成。導水機構的作用主要是形成和改變進入轉輪水流的環量，保證水輪機具有良好的水力特性，調節流量，以改變機組的出力，正常停機與事故停機時，封住水流，使機組停止轉動[1-3]。導水機構中控制環的操作力是通過導葉連桿、連桿銷傳遞到導葉臂，最終作用在導葉上，從而實現導葉的同步轉動，通過導葉開度變化實現流量變化，完成機組調節[4]。

傳統上對導水機構進行分析，均是對頂蓋、活動導葉、底環、控制環等部件進行單獨的計算，不考慮部件之間的相互作用，而對導水機構進行聯合受力分析尚無先例。雖然單獨分析時已盡可能地考慮了所有的載荷，操作方便又節省時間；但是因為沒有考慮部件與部件之間的相互作用，往往會出現局部應力集中或奇異、變形與實際情況吻合不好等現象，使得計算精度有所下降。

現選取某項目圓柱式導水機構，采用通用有限元分析軟件ANSYS Workbench[5-8]，對該導水機構的剛強度進行了聯合分析，亦對導葉和環形部件進行了單獨有限元分析[9-14]，并將聯合分析和單獨分析的結果進行了對比，重點探討了導葉操作機構和環形部件對導葉變形的影響。

1導水機構聯合受力分析

1.1計算模型

對導水機構進行聯合分析時，可將其視為周期對稱模型；本機組控制環有2個大耳朵用以傳遞接力器操作力，為了能夠使用周期對稱模型必須做必要的簡化，即人為的忽略2個大耳朵。這種簡化“美化”了控制環的受力，實際上其受力不是那么的均勻。下一步，預計可突破軟、硬件的限制，建立控制環的真實模型，且可預知此模型的結果更貼近機組的實際運行情況。

為了真實模擬導水機構的實際工作情況，在控制環與頂蓋接觸的抗磨板位置、控制環-連桿機構-導葉臂相互接觸的軸套位置均建立接觸單元(CONTA174、TARGE170)，抗磨板及軸套位置摩擦系數取0.2，并考慮上、中、下3處軸套位置的真實間隙值(設計間隙)，同時在導葉高度范圍內按計算工況施加水壓力。為了在降低模型規模的同時又保證計算結果的可靠性，網格劃分采用二次六面體實體單元(Solid186)，板的厚度方向至少劃分2層實體單元。

計算分析時，在頂蓋和座環的螺栓把合位置施加相應的位移約束，在底環和基礎的螺栓把合位置施加相應的位移約束，并在模型的剖切面上施加約束方程。本次分析考慮的是水輪機在洪水位正常工況停機，計算載荷包括導水機構的重量、軸承及密封的重量、各過流面承受的水壓力分布、接力器傳遞的油壓力。導水機構在各個載荷的作用下發生變形并保持著平衡(力和力矩平衡)，根據此變形可以判斷機構各組成部件的強度是否滿足設計要求，機構的剛度是否滿足要求，兩導葉搭接處的立面間隙是否超標，導葉端面間隙是否過大，頂蓋和底環抗磨板處的徑向變形是否超出預留的間隙，即轉動部分和靜止部分是否發生干涉。

1.2成果分析

為做比較，本文也對傳統的以單個部件為分析對象的有限元模型進行了計算，限于篇幅原因，計算貼圖在此不再贅加。聯合分析時導水機構的變形分布見圖3，活動導葉相互搭接處的立面間隙分布見圖4。

圖3　導水機構變形分布圖

圖4　導葉立面間隙分布圖　　單位：mm

根據圖3、4，導水機構最大變形出現在控制環上，這是由于控制環在操作力的作用下發生了轉動，繼而帶動連桿、拐臂，再把載荷傳遞到導葉的上軸頭，此載荷與水壓力以及各處的摩擦力相平衡。導葉本體不可能是完全剛性的，在水壓力的作用下本體發生了彎曲變形，所以本體在高度方向上約中部的位置，立面間隙出現了最大值。

活動導葉、頂蓋、底環的變形和應力分布見圖5～10。由于對控制環做了人為的簡化，大耳朵處的剛強度無法在聯合分析中得出，故而這一部分的結果暫時只能在單獨模型分析中體現。

根據圖5、6，導葉最大位移出現在上軸頭，這是由于控制環傳來的操作力造成的，由于水壓力的作用，本體在高度方向約中間的部分變形也較大。導葉的最大應力出現在本體和上軸的連接部位，是典型的應力集中現象。由于導葉本體的變形也稍大，本體中間部位的應力也相應的稍大。

圖5　導葉變形分布圖

圖6　導葉應力分布圖

圖7　頂蓋變形分布圖

根據圖7、8,在水壓力和導葉反作用力的雙重作用下，頂蓋最大變形出現在上導葉孔的外緣，下環板內圓處的變形也較大，主要是水壓力的作用。頂蓋的最大應力出現在立筋和上部的內環板的連接處，是典型的應力奇異現象，可以不予關注。由于水壓力和導葉反作用力的雙重作用，上部的外環板和立筋的應力也稍大，但整體應力并不大。

圖8　頂蓋應力分布圖

圖9　底環變形分布圖

根據圖9、10,底環最大位移出現在導葉孔內側，這是由于導葉軸的支反力造成的。底環最大應力出現在下環板的約束處，是典型的應力奇異現象，可以不予關注。由于導葉支反力的作用，在導葉孔的內側，應力也稍大，但底環的整體應力水平較低。

表1列出了聯合分析和單獨分析2種方案的計算結果，由于2種方案的約束形式不同，那些由于約束而引起的應力集中或奇異處的應力值沒有列入表中，也就是說，本文表1中所列的項目，都是具有對比意義的。

圖10　底環應力分布圖

從表1的最下行(差異行)可知，導水機構聯合受力分析與單個部件結果相比，各個部件的應力和變形均有不同程度的差別。這是因為控制環對導葉上軸頭的作用沒有被真實的模擬，單獨分析時上軸頭的撓度較??；導葉對頂蓋和底環的作用沒有被真實的考慮，而且導葉上、中、下3個軸套處均有配合間隙，這個間隙在單獨分析時也沒有考慮。聯合分析對頂蓋和導葉的影響較大，對底環的影響相對較小，這是因為底環的相對尺寸小、剛度大，而且底環的受力情況也相對簡單?？梢姡绻玫綄畽C構真實的剛強度結果，需要盡可能的對其進行聯合受力分析。

2結語

本文利用大型通用有限元分析軟件ANSYS Workbench對某混流式水輪發電機組的圓柱式導水機構進行了聯合受力分析，盡可能真實地模擬了該機構的實際工作狀態，并獲得了導水機構各個組成部件的應力與變形情況。同時，將聯合分析結果與傳統上單獨分析某個部件時的結果進行了對比，得出了聯合分析的優點。導水機構聯合分析最主要的優點是：考慮了整個導葉機構的剛度，考慮了整個過流面的水壓力，考慮了導葉上、中、下3個軸頸處的間隙，得出了導葉、導葉操作機構和各環形部件的剛強度。最重要的是，聯合分析可以得到導葉相互之間搭接處的立面間隙分布，導葉上、下端面與頂蓋、底環之間的端面間隙分布，頂蓋、底環抗磨板和轉輪之間的間隙值，導水機構各環形部件的變形量，這可以為接力器壓緊行程的確定提供更準確的依據。以上，為機組現場解決實際問題提供了技術支持，為下一步導水機構的優化設計奠定了堅實的基礎。

表1　導水機構分析結果匯總表　/(mm, MPa)

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Study, Comparison and Analysis on Joint Action of One Cylinder Guiding Mechanism

LI Guohui

(Zhejiang Fuchunjiang Hydropower Equipment Co., Ltd, Hangzhou310013,China)

Abstract:Study on the joint action of the true structure of one cylinder guiding mechanism is performed by application of ANSYS Workbench. The study is compared with the analysis results of the conventional individual component. Through the analysis on the joint action of the guiding mechanism, the accurate basis for determination of the pressing stroke of the servomotor is provided.

Key words:cylinder; guiding mechanism; finite element method; joint analysis; ANSYS Workbench

中圖分類號：TK73

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.016

作者簡介：李國慧(1985- )，女，工程師，從事水輪發電機組結構的有限元分析工作.

收稿日期：2015-05-26

文章編號：1006—2610(2016)01—0060—04