混流式水輪機固定導(dǎo)葉的設(shè)計研究

陳維勤，鈴木敏曉，陳梁年

（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式會社東芝，日本 東京 105-8001）

混流式水輪機固定導(dǎo)葉的設(shè)計研究

陳維勤1，鈴木敏曉2，陳梁年1

（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310016；2.株式會社東芝，日本 東京 105-8001）

結(jié)合混流式水輪機座環(huán)固定導(dǎo)葉的典型結(jié)構(gòu)特點，著重從水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，介紹了東芝公司和東芝水電關(guān)于固定導(dǎo)葉的設(shè)計和分析方法研究成果，供同行參考。

混流式水輪機；固定導(dǎo)葉；活動導(dǎo)葉；振動；顫振；固有頻率；動應(yīng)力；換算流速；臨界換算流速

1 前言

固定導(dǎo)葉是混流式水輪機座環(huán)上的重要支撐部件，需要在蝸殼充水或放空時支承傳遞到座環(huán)上部的所有重疊垂直荷載，包括發(fā)電機重量、水輪機的上部及蝸殼的重量在內(nèi)的機械荷重和土建結(jié)構(gòu)荷重等，同時固定導(dǎo)葉又是導(dǎo)流部件，還擔(dān)負(fù)著將蝸殼內(nèi)的水流高效引入水輪機的重要職能，因此固定導(dǎo)葉必須具有足夠的剛強度，同時還應(yīng)具有良好的水力性能。合理設(shè)計座環(huán)固定導(dǎo)葉，對確保水輪機組的安全可靠運行非常關(guān)鍵。

本文對座環(huán)固定導(dǎo)葉的設(shè)計研究進行了較全面的介紹，供同行設(shè)計時參考。

2 典型結(jié)構(gòu)簡圖

大型水輪機座環(huán)結(jié)構(gòu)多采用平行布置的上環(huán)、下環(huán)雙平板和固定導(dǎo)葉焊接，并帶導(dǎo)流環(huán)和多邊形過渡段的鋼板焊接結(jié)構(gòu)。固定導(dǎo)葉的數(shù)量和型線與活動導(dǎo)葉相匹配，為獲取盡可能優(yōu)良的水力性能，自蝸殼進口端至尾部通常采用2～3種不同形狀的固定導(dǎo)葉，使座環(huán)的受力及水力性能獲得最優(yōu)組合。其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于座環(huán)上、下環(huán)板厚度方向的受力較大，為避免在環(huán)板焊縫處發(fā)生層狀撕裂，可根據(jù)座環(huán)應(yīng)力分析結(jié)果確定是否采用抗撕裂鋼板。

根據(jù)現(xiàn)場安裝及運輸條件的限制，座環(huán)可適當(dāng)分瓣，合縫面用螺栓連接，并配有定位銷和帶有鉆好孔的連接法蘭，合縫連接法蘭的邊緣在工廠精確地加工成工地焊接坡口，各分瓣件在工地用預(yù)應(yīng)力螺栓把合之后，對法蘭合縫處進行焊接，以增加座環(huán)合縫處聯(lián)接的強度，并可以防止機組充水后及運行中合縫面處的滲漏。該連接方式可使座環(huán)各分瓣在現(xiàn)場的組合方便、快捷，并可提高座環(huán)合縫處的剛度和座環(huán)整體的加工精度。

座環(huán)各瓣在工廠整體預(yù)裝和加工，蝸殼各環(huán)節(jié)在工地與座環(huán)組焊在一起。

對于大型機組，座環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)在現(xiàn)場調(diào)整、連接好，以及混凝土固化后，座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)與頂蓋、底環(huán)的配合面、支撐面以及密封槽可采用座環(huán)加工專機在現(xiàn)場進行精加工。采用座環(huán)現(xiàn)場加工方式，可有效地校正運輸、安裝以及混凝土澆筑產(chǎn)生的變形，確保機組的安裝精度。

座環(huán)上還可根據(jù)需要，設(shè)置適當(dāng)數(shù)量和通徑的空心固定導(dǎo)葉，以排出水輪機頂蓋上方的滲漏水。

座環(huán)與基礎(chǔ)環(huán)可采用焊接或螺栓聯(lián)接的方式。

圖1 座環(huán)結(jié)構(gòu)圖

3 剛強度分析

3.1 有限元分析模型

座環(huán)的受力計算，采用與蝸殼聯(lián)合進行受力分析的方式進行。模擬應(yīng)力嚴(yán)峻的蝸殼進口部位的4只固定導(dǎo)葉，建立60°包角范圍的局部蝸殼座環(huán)計算模型。如圖2所示。

邊界條件為：頂蓋與座環(huán)連接螺栓部位固結(jié)，座環(huán)與基礎(chǔ)連接的部位完全約束。

圖2 座環(huán)固定導(dǎo)葉有限元分析模型

3.2 水壓條件（如圖3所示）

作用于頂蓋、蝸殼、座環(huán)上的壓力分布如下：蝸殼～活動導(dǎo)葉分度圓之間（＝P1）、活動導(dǎo)葉分度圓～轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)直徑之間（＝P2）、轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)直徑～頂蓋最大內(nèi)徑之間（＝P3）。

圖3 計算水壓條件

施加的水壓條件如圖3所示。同時座環(huán)上還應(yīng)附加機組重量、作用于轉(zhuǎn)輪的水推力、混凝土重量等。其中機組重量主要包括導(dǎo)水機構(gòu)重量、發(fā)電機下機架重量、水輪機發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部件重量等。由于附加于座環(huán)上的以上作用力，一部分由混凝土基礎(chǔ)承受，并非完全作用于座環(huán)，因此計算時，通常考慮總附加載荷的90%作用于座環(huán)上。

3.3 計算工況

通常在不考慮蝸殼座環(huán)與混凝土聯(lián)合受力情況下，對座環(huán)固定導(dǎo)葉在停機工況、最大水頭運行工況及甩負(fù)荷工況下進行計算分析。

以下簡要介紹混流式水輪機座環(huán)固定導(dǎo)葉的設(shè)計和分析方法。

3.4 靜應(yīng)力分析結(jié)果

采用以上的解析模型，并施加水壓條件及附加力后，通過有限元解析得出各個工況下座環(huán)固定導(dǎo)葉的靜應(yīng)力分析云圖，如圖4所示。座環(huán)的高應(yīng)力及應(yīng)力集中部位通常發(fā)生在固定導(dǎo)葉與座環(huán)上下主板焊接的端部焊縫處。因此計算分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)重點關(guān)注該部位。

同時，為確保機組設(shè)計的安全性、合理性和可靠性，將解析計算結(jié)果與類似的已成功運行的機組進行對比，也是必要的。

圖4 座環(huán)及固定導(dǎo)葉應(yīng)力分布云圖

3.5 疲勞分析

考慮到由于應(yīng)力集中，以及機組實際運行中振動、壓力脈動、開停機過程等的反復(fù)作用等。需重點對處于流道中的固定導(dǎo)葉實施疲勞強度分析評價。

在疲勞強度分析中，采用材料在水中的疲勞強度，對固定導(dǎo)葉與主板焊接端部的疲勞強度進行評價。壓力脈動按合同要求或國家標(biāo)準(zhǔn)的峰-峰值確定。材料的疲勞強度σw根據(jù)試驗曲線得出。通常焊接接頭疲勞強度σwj=0.5σw，如考慮安全余量為2倍，則許用疲勞強度[σwal]＝0.5σwj。

3.6 動態(tài)應(yīng)力分析

在機組的實際運行中，振動及壓力脈動等因素的影響是客觀存在和不可避免的。因此僅實施靜應(yīng)力的分析還不充分。特別對于大型機組，為確保機組的安全可靠，還需要實施動態(tài)應(yīng)力的分析和評價。即在座環(huán)固定導(dǎo)葉的解析模型上，運用模態(tài)分析技術(shù)，模擬與真機的實際運行類似的激振試驗進行分析。

首先對固定導(dǎo)葉激振的相應(yīng)頻率及模態(tài)進行有限元解析，解析的約束條件如圖5所示，激振位置如圖6所示。通過解析可以得出固定導(dǎo)葉在空氣中和水中的1階、2階……響應(yīng)頻率及模態(tài)（其與固有頻率及模態(tài)相當(dāng)）。如果固定導(dǎo)葉在空氣中的1階、2階響應(yīng)頻率及模態(tài)示例如圖7和圖8所示，可以看出，其1階固有振型模態(tài)為彎曲振動；2階固有振型模態(tài)為扭曲振動。

圖5 約束條件

圖6 激振位置示例

圖7 激振點頻率的響應(yīng)線圖

圖8 固定導(dǎo)葉的1階、2階振型模態(tài)示例

在解析模型的固定導(dǎo)葉上，按以上解析所得的頻率施加與壓力脈動相當(dāng)?shù)募ふ窳Α＝Y(jié)果如圖9-a和圖9-b所示。我們發(fā)現(xiàn)按1階頻率與按2階頻率分別對固定導(dǎo)葉進行激振解析時，其發(fā)生的應(yīng)力情況不同，1階模態(tài)下，固定導(dǎo)葉中部及上下端部均有動應(yīng)力較大的情況，但上下端部應(yīng)力相對較高；2階模態(tài)下的最大應(yīng)力相應(yīng)位置為固定導(dǎo)葉上下根部距進出口端部延固定導(dǎo)葉長度20%左右的范圍，并且該部位的動應(yīng)力水平也較1階模態(tài)下的動應(yīng)力高，因此，如果這些高應(yīng)力部位的應(yīng)力值超出了材料的屈服極限，有可能會在運行中發(fā)生損壞。需要在設(shè)計中對此進行適當(dāng)優(yōu)化，提高其剛強度，并盡量降低應(yīng)力集中。同時對優(yōu)化后的設(shè)計再次進行復(fù)核計算和確認(rèn)，以確保機組的動、靜應(yīng)力均滿足要求。

圖9 固定導(dǎo)葉在激振頻率下的應(yīng)力云圖示例

4 共振分析

為確保固定導(dǎo)葉在水流的擾動下，不發(fā)生共振，以確保水輪機的穩(wěn)定性，還需進行以下的共振分析：

1）在活動導(dǎo)葉全開度范圍，通過對固定導(dǎo)葉周邊流體進行的CFD解析，獲取水壓脈動頻率；

2）卡門渦共振分析；

3）轉(zhuǎn)輪與活動導(dǎo)葉的動靜葉片干擾的共振分析；

4）引水管道和尾水管渦帶干擾的共振分析。通過計算得出以上頻率，并與固定導(dǎo)葉在水中的各階固有頻率進行對比，頻率的偏離率一般應(yīng)在±10%以上，其中與卡門渦頻率的偏離率一般要求在50%以上。

在通常情況下，通過以上的共振分析，即可判定不會發(fā)生共振。但在我們近期所做的分析研究中發(fā)現(xiàn)，除了以往通常考慮的以上水輪機中的卡門渦以及轉(zhuǎn)輪共振等振動外，還可能存在其他類型的振動，例如顫振現(xiàn)象。

5 顫振現(xiàn)象分析

顫振現(xiàn)象是伴隨純粹的渦流發(fā)生而發(fā)生的由于構(gòu)造體的微小運動（變形等）而誘發(fā)的水流時間性連續(xù)變化導(dǎo)致的自激振動，并不是強迫振動。其是在水力設(shè)計領(lǐng)域中還未被全面認(rèn)知的知識。

本現(xiàn)象是在以下必要條件與充分條件都成立時發(fā)生的。以下就其發(fā)生的原理進行闡述：

1）必要條件

顫振發(fā)生的必要條件如下：

在（式1）中：

α：固定導(dǎo)葉進口的流入角（deg）

M：固定導(dǎo)葉出口側(cè)的力矩（N·m）

如果活動導(dǎo)葉開度（GV）和固定導(dǎo)葉（SV）出口側(cè)的力矩斜率的變化如圖10所示。

圖10 SV出口側(cè)力矩斜率和GV開度的關(guān)系

2）充分條件

在此使用換算流速Vr和Vrc來判定顫振現(xiàn)象發(fā)生的充分條件。Vr定義如下：

在（式2）中：

V：固定導(dǎo)葉進口流速（m/s）

fθ：固定導(dǎo)葉水中固有頻率（Hz）

D：固定導(dǎo)葉中央部位厚度（m）

Vrc：臨界換算流速

換算流速Vr是流體的慣性力（分子）與構(gòu)造物的彈力（分母）的比值，其表示通過構(gòu)造物發(fā)生振動的難易度。這個換算流速Vr超過了某個臨界值Vrc（Vr＞Vrc）時，如果同時必要條件也成立，則會發(fā)生顫振現(xiàn)象。因此，如果要減小換算流速，增加固定導(dǎo)葉的厚度并增大（fθ·D）是行之有效的方法。

6 結(jié)語

通過以上對座環(huán)固定導(dǎo)葉所做的全面的計算解析研究，東芝公司及東芝水電在座環(huán)固定導(dǎo)葉的水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)剛強度分析、共振分析均取得了更深層次的技術(shù)進步。同時也在研究過程中積累了豐富的經(jīng)驗。尤其在對顫振現(xiàn)象的分析研究方面取得的新技術(shù)成果，以及在部件剛強度的動態(tài)分析方面的研究成果，為提高大型水輪機的性能及可靠性方面，提供了更先進、完善的理論基礎(chǔ)和更可靠的技術(shù)保障。為今后確保為客戶提供更高品質(zhì)的產(chǎn)品和服務(wù)，打下了堅實的基礎(chǔ)。

TK730

A

1672-5387（2017）01-0008-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.002

2016-07-20

陳維勤（1970-），女，高級工程師，從事水力機械設(shè)計制造技術(shù)工作。