三維有限元分析在彭水水電站上擋風板改造中的應用

伏虹潤

（大唐國際發電股份有限公司重慶分公司，重慶401121）

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三維有限元分析在彭水水電站上擋風板改造中的應用

伏虹潤

（大唐國際發電股份有限公司重慶分公司，重慶401121）

隨著計算機技術的高速發展,三維實體建模與有限元分析的功能越來越強,應用領域也越來越廣。結合彭水水電站上擋風板改造實例，介紹了三維有限元分析在發電企業設備故障分析、治理領域的應用。

三維有限元；擋風板；應用

1　概述

1.1基本情況

彭水水電站位于烏江干流下游,電站共安裝5臺單機容量350MW的水輪發電機組，總裝機容量1 750MW。發電機的冷卻方式設計為密閉循環通風冷卻，轉子為斜支臂結構，當轉子轉動時，空氣由轉子支架的上部被吸入，在離心力作用下，由安裝在磁軛上的通風道吹向定子鐵心和線圈。在發電機的定、轉子上、下方裝有水平和豎向立擋風板，構成密閉空間，經過定子上、下端部的熱風與經過定子鐵心和線圈的熱風均進入空氣冷卻器，冷卻后的空氣經過上風道再進入到轉子的上部，空氣被吸入后形成密閉循環。

發電機上部豎向立擋風板共有4圈，各由28塊弧形獨立擋風板拼接而成，整體呈圓筒形，如圖1。立擋風板通過螺栓固定于水平弧形橫梁上，弧形橫梁截面為倒“T”形，橫梁兩端通過螺栓固定于上機架支臂下翼緣，上機架支臂數為14，橫梁數14，每根橫梁上固定兩塊擋風板，擋風板之間采用螺栓連接。

立擋風板為懸臂固定方式，如圖2。內圈立擋風板高度最大，更靠近機組軸線，離上機架與定子機座頂部的固定點更遠。

圖1　立擋風板水平分布

圖2　發電機上部立擋風板

1.2問題介紹

彭水水電站機組投運后不久，出現了發電機上部內圈立擋風板固定螺栓大量斷裂的問題，嚴重影響到機組安全。

2009年9月檢查發現，1號機組上部內圈立擋風板固定螺栓有23顆斷裂、2顆滑絲，2號~5號機組也有不同數量的螺栓斷裂、滑絲，隨即對損壞的螺栓進行了更換；2010年5月檢查發現，1號機組內圈上擋風板固定螺栓有80顆斷裂，5號機組有22顆斷裂。由于當時正值主汛期，為確保機組安全度汛，對5臺機組擋風板均采取了臨時加固措施，即每塊擋風板用2~3塊角鋼與弧形固定橫梁直接焊接，兩塊擋風板合縫處用扁鋼施焊連接；2010年8月~2011年元月的歷次檢查中發現，5臺機組上部內圈立擋風板均出現了不同程度的裂紋和個別螺栓斷裂情況，其中，1號機組在2010年8月檢查中發現裂紋30處，2010年9月檢查中發現裂紋10處及兩顆固定螺栓斷裂，2010年10月檢查發現裂紋10處，裂紋多位于立擋風板下部以及兩塊擋風板合縫處。

除上部內圈立擋風板外，其他外側3圈立擋風板工作正常，在各次檢查中未發現異常。

2　三維有限元自振特性計算

三維有限元自振特性計算可以得出結構振動的固有頻率和結構振型，而結構的自振特性可以反映結構受到外部激振力作用后的振動情況。為尋求擋風板固定螺栓斷裂的原因，為后續現場試驗研究和問題分析處理提供依據，彭水水電站組織對發電機上部內圈立擋風板進行三維有限元自振特性計算。

2.1模型設計

2.1.1擋風板模型

發電機上部立擋風板共有4圈，其中內圈立擋風板高度最大，更靠近機組軸線，離上機架斜支臂在定子機座頂部的固定點更遠。內圈立擋風板，由28塊獨立的擋風板拼接而成，其高H=1 278mm，水平半徑R=6 876mm，面板厚d=3mm，材料為Q235-A。

建立擋風板三維有限元模型時，立擋風板各部件采用殼單元模擬，單元數3 528，內圈立擋風板三維有限元單塊模型圖見3，整體模型如圖見4。

圖3　單塊擋風板模型

圖4　立擋風板三維有限元模型

圖5　上機架及內圈立擋風板固定橫梁有限元模型

2.1.2上機架模型

立擋風板通過螺栓固定于水平弧形橫梁上，弧形橫梁截面為倒“T”形，底部有斷面為矩形、水平面上呈弧形的加強鋼條，鋼條上每隔一定距離有M12的內螺紋用來固定擋風板。弧形橫梁兩端通過螺栓固定于上機架斜支臂下翼緣，上機架支臂數為14，橫梁數14，每根橫梁上固定兩塊擋風板，相鄰擋風板之間采用螺栓連接。

上機架為斜支臂結構，中心體高度H=1400mm，中心體內切圓半徑R=3000mm，斜支臂長L=7000mm，支臂上翼緣厚度為30mm，下翼緣厚度為20mm，腹板厚度8mm。

建立三維有限元模型時，上機架及弧形橫梁采用殼單元模擬，單元數13 188，上機架及弧形橫梁三維有限元模型如圖5。

2.2計算條件

進行立擋風板自振特性計算時，立擋風板頂部固定端面采用豎向、徑向和切向位移約束及切向轉動約束。在實際結構中支臂在風罩固定處采用了剪切銷結構，因此上機架及固定梁計算時，此處采用徑向和切向約束，斜支臂在定子機座頂部的固定點采用豎直向及切向約束。有限元模型采用的材料參數見表1。

表1　三維有限元計算材料參數

表2　立擋風板自振頻率

表3　上機架自振特性結果

2.3計算結果

2.3.1立擋風板計算結果

立擋風板自振頻率見表2，部分振型見圖6。

立擋風板自振頻率計算結果表明，其振型以底部波浪形變化為主，頻率不同其波數有差異：自振頻率越高，立擋風板下擺處的“波浪”數越多，“波長”變短，立擋風板底部“裙擺效應”明顯，自振頻率低。

擋風板固定螺栓是穿過上端面圓孔后通過螺紋固定于弧形橫梁，螺桿與擋風板上端面的圓孔內壁之間有1mm間隙，在擋風板上端面與固定梁之間夾有一層羊毛氈，擋風板的這種固定型式，致使“裙擺效應”能對固定螺栓產生受彎、受拉作用，作用的大小與擋風板的剛度及底部“裙擺”的幅度有關。

2.3.2上機架及固定梁計算結果

上機架及固定梁自振頻率見表3，部分振型見圖6。

圖6　立擋風板、上機架及固定梁振型圖

上機架的振型以支臂的切向位移為主，上機架支臂的切向位移引發了擋風板固定梁徑向彎曲變形，由于擋風板頂部固定端面厚度達到10mm，其抵抗水平向變形的能力較強，這會導致兩個接觸面發生相對位移，對固定螺栓產生“剪刀效應”，對螺栓產生較大的剪切力，引發螺桿受損。

2.4原因分析

通過三維有限元計算，擋風板固定螺栓斷裂原因為：

（1）立擋風板自振頻率低，基頻為6.6 Hz，其振型主要以底部的“裙擺效應”為主，頻率越高，底部“裙擺”的波形越密集，波長越短。

（2）立擋風板的固定方式，在立面上為懸臂結構，“裙擺效應”能對固定螺栓產生受彎、受拉作用，作用的大小與擋風板的剛度及底部“裙擺”的幅度有關。

（3）上機架振型以支臂的切向振動為主，基頻為17.05Hz，振型主要以支臂的切向振動為主，越靠近支臂中部振動位移越大，隨著振動頻率增高，振型由以支臂的整體彎曲變形為主，轉變為以支臂腹板的切向“鼓膜效應”為主。無論振動頻率如何，機架相鄰的斜支臂振動步調不會完全一致，中部總會發生相對移動。

（4）受上機架斜支臂的擠壓或拉伸作用，相鄰斜支臂相對位移微小的變化就會使擋風板固定梁在水平方向產生較大的彎曲變形，并伴隨有豎直向微小的彎曲變形。擋風板固定梁的水平向彎曲變形，會對固定螺栓的螺桿產生“剪刀效應”，對螺栓產生剪切力，這是螺桿斷裂的重要原因。

3　原型試驗驗證

為驗證三維有限元自振特性計算結果，對立擋風板進行了模態試驗，對上機架支臂及立擋風板固定橫梁進行了振動響應試驗。試驗結果表明，立擋風板的模態振型以下端位置的波浪形變形為主；螺栓斷裂與固定梁的高頻剪切作用引起的材料疲勞相關，高頻振動源自于上機架斜支臂的高頻擠壓或拉伸作用，進一步證實了有限元計算結果。

4　改造方案及效果評估

針對螺栓斷裂原因，從改變立擋風板固定螺栓的受力方式著手，彭水水電站實施了改變固定螺栓的受力方式（即將固定螺栓由原來的豎直向轉變為徑向水平向，將固定梁徑向水平振動對螺栓的剪切力轉變為拉壓力），增加徑向、環向加強筋的改造方案。

為檢驗改造效果，彭水水電站開展了固定梁的三維有限元計算、擋風板現場模態試驗和固定梁振動響應試驗。通過對比改造前后擋風板及固定梁的有限元計算及現場試驗結果，改造后的固定梁沿弦線方向的剛度增加、中部徑向位移明顯小于改造前，降低了固定螺栓所受剪切力，延長了固定螺栓使用壽命；改造后擋風板的阻尼系數明顯增大，減小了振動對擋風板本體的影響；改造后的固定梁振動加速度峰值、上機架斜支臂切向振動最大峰值加速度較改造前明顯降低，降低了螺栓所受剪切應力。

改造后的擋風板運行至今未再發生類似問題，證明改造后的擋風板工作性能有大幅提高，擋風板的改造達到了預期效果，威脅機組安全的螺栓斷裂問題得到有效解決。

5　結語

彭水水電站采用三維有限元計算與現場原型試驗相結合的方式，有效解決了電站運行當中的實際問題，同時也為其他發電企業解決發電設備結構問題提供了新的思路。

TK730.8

B

1672-5387（2016）02-0037-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.011

2015-04-30

伏虹潤（1981-），男，工程師，從事水電站生產及技術管理工作。