高水頭混流式水輪機金屬蝸殼應力特性分析

李春光　蒲長青

（東方電氣集團東風電機有限公司，樂山614000）

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高水頭混流式水輪機金屬蝸殼應力特性分析

李春光蒲長青

（東方電氣集團東風電機有限公司，樂山614000）

摘要：為設計出強度性能良好的高水頭混流式水輪機金屬蝸殼部件，建立了某臺混流式機組金屬蝸殼和座環的聯合裝配模型，對最大水頭、升壓水頭以及試壓水頭3種工況展開了有限元分析。由結果可知，該蝸殼在各工況下的最大應力，都小于材料屈服極限，即蝸殼的強度性能滿足要求，為該機組金屬蝸殼的安全運行，提供了依據。

關鍵詞：水輪機蝸殼有限元

引言

高水頭水輪發電機組，常選用金屬焊接結構的蝸殼作為引水部件［1］。由此可見，強度是影響部件性能的關鍵。在蝸殼的強度計算中，目前最常采用的方法［2-3］是解析法和有限元法，二者均是以最高水頭為最不利點，計算蝸殼內壁可能承受的最大載荷，并以此為依據確定產品的材料和壁厚。大多數情況下，兩種方法設計的蝸殼，強度性能基本滿足要求。然而局限性在于：許多研究中，蝸殼是作為獨立部件［2-3］來進行計算的。而實際上，機組的各部件是相互配合、相互作用的。例如，座環的變形，會對蝸殼造成累計影響，導致計算的壁厚相對單薄，強度不足，由文獻［4-6］所示的潘家口、糯扎渡等幾個電站蝸殼的位移量偏大，皆是由抗彎能力差、剛度不足以及材料許用應力值偏低等強度問題造成。綜上所述，對蝸殼的應力分析中，必須考慮到座環的影響，在此基礎上對蝸殼進行有限元分析，才能確保其良好的強度性能，達到設計合理化的要求。

1 蝸殼有限元裝配模型的建立

對某電站的混流式水輪機金屬蝸殼進行有限元分析。計算工況為最高水頭、升壓水頭以及試壓水頭。

在裝配模型的建立中，考慮到蝸殼與座環之間存在相互力的作用，為了提高數值計算的精度，計算模型采取蝸殼座環聯合裝配體。具體的建模步驟為：（1）根據機組模型試驗所獲得的蝸殼型線尺寸，創建蝸殼三維實體模型；（2）建立座環三維實體模型；（3）根據蝸殼與座環的幾何位置關系，將二者裝配成整體。建立的整體裝配模型，如圖1所示。

圖1 蝸殼座環裝配模型

2 蝸殼模型有限元分析

2.1 邊界條件的設定

為了方便邊界條件的設置，在建立模型時，應先把位置坐標作明確的定義。在該過程中，以Z軸作為座環圓周方向的旋轉中心，Y軸則對應蝸殼的進水邊。具體的邊界條件設置［7-8］為：（1）蝸殼的進水邊定義為無摩擦約束條件；（2）對于座環部件，用地腳螺栓把合的鋼板零件，設置固定約束；（3）根據不同工況下的水頭條件，設置載荷大小及類型（如最大水頭工況，加載靜水壓載荷和頂蓋的軸向應力）。

2.2 計算結果分析

通過有限元數值計算，得到了3種工況下的應力及位移分布規律，如圖2～4所示。

圖2 最大水頭工況應力及位移分布

圖3 升壓水頭工況應力及位移分布

圖4 試壓水頭工況應力及位移分布

（1）應力分析。3種工況下的應力分布情況，分別如圖2～4的a所示。在最大水頭和升壓水頭工況下，蝸殼座環聯合體的整體應力水平不高，且二者的應力偏差較小。蝸殼應力分布規律：其進口圓柱管段的應力值相對較大，當進入彎曲變化管段后，隨著截面的減小，應力也逐漸減小。座環的整體應力比蝸殼更低，且沿圓周方向分布基本均勻，這與水流在蝸殼座環中的運行規律［9］吻合。最大水頭工況，應力集中區域位于上環的筋板處。升壓水頭工況，應力最大區域在蝸殼尾部與座環特殊固定導葉搭接的舌板處。試壓水頭工況下，較之前兩者，應力水平有了明顯提高，但分布規律與前面兩種工況一致，最大應力區域與升壓水頭工況一致，位于舌板處。

（2）位移分析。分別如圖2～4的b所示。3種工況下的位移規律與應力大小變化相對應，表現為：位于蝸殼進口端附近的位移量最大，至彎曲變化管段后，位移量開始隨截面的減小而降低，至座環固定導葉附近，位移量達到最小。3種工況下的整體位移水平而言，試壓水頭位移量最大，最大水頭位移量最小，但3者之間的偏差并不大。

蝸殼座環聯合體的有限元分析結果，如表1所示。

表1 有限元計算結果

根據表1的計算結果，與文獻［10］上關于Q345C的18～20mm厚度鋼板的材料性能對比可知，該蝸殼的強度性能是符合要求的。

3 結論

在混流式水輪機蝸殼的設計中，有限元分析能夠驗證仿真結果的精度，并有效保證結構的良好強度特性。但是，機組的強度計算而言，存在仿真精度高低的問題。因此，未來的工作，可以研發更加簡便、高效、經濟的新試驗，應用于仿真精度的論證。

參考文獻

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［10］聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京：機械工業出版社,2010.

Numerical Calculation and Verification on Spiral Case of High Head Hydraulic

LI Chunguang,PU Changqing
（DEC DongFeng Electric Machinery CO.LTD,Leshan 614000）

Abstract:For making the spiral case to meet good demand，the paper discussed a method including computer simulation and hydrostatic testing for two methods. It analyzed the strength of spiral case in power station. The paper set up a 3D model combined spiral case and stay ring，simulated the conditions at max water head，boost water head and test water head. As a result, the spiral case had well strength character. So it provided evidence for hydroturbine's safe operation.

Key words:hydroturbine, spiral case, numerical calculation

基金項目：新疆和田達克曲克電站水輪機設計（X409002）。