基于ANSYS Workbench的水輪機頂蓋螺栓有限元分析

趙俊杰，余 波，歐 前，蘇 婷，王 懿

(西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室，四川 成都 610039)

某電站控制流域面積76 130 km2，多年平均流量1 500 m3/s。大壩為混凝土重力壩，最大壩高85.6 m，電站設計水頭48.00 m，最大水頭53.08 m，最小水頭34.70 m?？値烊?.1×108m3，水電站裝機容量770 MW，保證出力179 000 kW，多年平均發電量34.2×108kW·h。水輪機頂蓋與座環之間的聯接螺栓對保證水輪機安全穩定運行具有重要作用。2009年俄羅斯薩揚電站發生的廠毀人亡事故，其事故主要原因之一就是水輪機頂蓋與座環之間的聯接螺栓失效。2016年國內某電站水淹廠房事故也是水輪機頂蓋聯接螺栓因強度不足，斷裂所致。類似于此種事故的多次出現，也引起了中國相關行業的高度關注[1]。因此，開展水輪機頂蓋與座環之間的聯接螺栓的強度分析十分必要。在國內，河海大學研究了軸流式水輪機內外頂蓋螺栓的強度分析，得出螺栓的平均應力和危險截面的位置[2]。程帥等[3]研究了受大脈沖的端蓋法蘭構型的螺栓預緊力的設計原理，發現了螺栓預緊力和脈沖載荷對螺栓總體的拉伸變形量存在最小的極值點。Wang等[4]通過應力分布分析，建立了相互作用剛度模型，研究了相互作用剛度對螺栓預緊力變化的影響。Wang等[5]提出了一種微型螺釘張力測量與控制方法，并對微型螺釘的擰緊過程進行了研究。此次的研究內容為：建立的頂蓋、座環及其聯接螺栓三維模型；采用有限元計算軟件進行網格劃分；加載水壓力、螺栓預緊力、各部件重力等荷載，根據相關行業標準對計算結果進行剛強度分析。

1 三維模型建立

1.1 頂蓋的建立

水輪機頂蓋主要由外法蘭、內上面板、內下面板、外上面板、外下面板、外環板和筋板組成，材料為Q345。三維模型見圖1。

圖1 水輪機頂蓋模型

1.2 座環的建立

座環由23個固定導葉和上下環組成，材料為S550Q-Z25。三維模型見圖2。

圖2 水輪機座環

1.3 螺栓的建立

水輪機頂蓋與座環聯接螺栓是定制的M64雙頭螺栓，螺栓材料為8.8級的合金鋼，聯接螺栓模型和水輪機頂蓋、座環及其聯接螺栓的裝配模型見圖3—5。

注：A—螺紋尺寸；B—倒角；C—直徑；其余字母為相關尺寸。

圖4 螺栓三維模型

圖5 水輪機頂蓋、座環及聯接螺栓裝配體

2 數值計算

2.1 計算參數

本階段暫時考慮頂蓋及頂蓋與座環聯接螺栓在不同甩負荷工況下可能受到的最大荷載，所需要的荷載根據1號機組甩負荷實驗記錄可以得到，并選取3個不同甩負荷工況下的3個水壓力作為此次模擬的計算工況，分別為甩30.6、82.5、110 MW負荷時，具體數據見表1。由于現有資料有限，本次計算用蝸殼處壓力代替頂蓋所受水壓力?；顒訉~套筒處施加垂直于頂蓋的力，大小為1 154 901.87 N，水導軸承質量為7 700 kg，真空壓力為-0.05 MPa。施加的螺栓預緊力為294 494.45 N。水輪機頂蓋、座環以及之間的聯接螺栓的材料參數見表2[6]。

表1 甩負荷記錄

表2 材料參數

2.2 網格劃分

本文采用的網格為四面體與六面體非結構網格相結合的網格劃分方式，最終的網格單元總數約為340萬，網格單元節總點數約為530萬。在對模型進行網格劃分時，對頂蓋與座環聯接螺栓和頂蓋與座環接觸面進行了局部加密。在數值模擬過程中，進行了網格無關性驗證，將節點數量增加至原來的2倍左右，計算結果偏差在1.5%以內，證明頂蓋、座環以及聯接螺栓組合體網格模型滿足有限元計算網格無關性要求，可用于頂蓋、座環以及聯接螺栓組合體的三維有限元靜力學計算[3]。對于螺栓螺紋處進行網格劃分時，采用虛擬螺紋，可以減少建模時對螺紋的建立，從而減少小面的產生，進而減少網格的數量，減少了計算機在計算時所用的時間。設置螺紋公差等級為6g，螺距為1.5 mm，網格最大尺寸為4 mm。網格劃分的詳細參數見表3，網格劃分的結果見圖6、7。

表3 各部件網格單元和節點數量

圖6 頂蓋、座環與聯接螺栓的局部放大

圖7 座環與頂蓋聯接螺栓有限元模型

2.3 接觸及邊界條件

模型的接觸主要包括綁定接觸、不分離接觸、無摩擦接觸、粗糙接觸以及有摩擦接觸。此次因為部件組成較多，類比其他電站的設置采用以下接觸方式：①頂蓋與座環間、螺母與頂蓋外法蘭間為摩擦接觸[15]；②頂蓋分半面間為綁定接觸；螺柱與座環螺紋孔間為綁定接觸；③螺母與螺柱間為綁定接觸[2，7-10]。其他具體約束及邊界條件見圖8。

注：A—固定約束；B—重力，對整個模型設置重力；C—水壓力(實際測點數據，均布施加)；D—活動導葉重力；E—水導軸承重力；G、H、I、J—聯接螺栓的螺栓預緊力。

3 計算結果分析

利用ANSYS商業軟件對頂蓋、座環以及聯接螺栓進行結構靜力學分析，包括求解外載荷引起的位移、應力和力[11]。

3.1 工況一計算結果

在正常蓄水位，帶30.6 MW負荷工況下，在頂蓋與座環間的聯接螺栓施加了295 kN的螺栓預緊力，此時水輪機頂蓋與轉輪之間密封腔所受的水壓為0.20 MPa，水輪機導葉區頂蓋受到的水壓力為0.56 MPa。頂蓋、螺栓應力、變形分布見圖9—11。

圖9 水輪機頂蓋應力與變形

圖10 聯接螺栓整體應力與變形分布

圖11 典型螺栓應力與變形分布

根據圖10、11可以得出，在該工況下，大多數聯接螺栓的最大應力分布在300～500 MPa之間，在94顆螺栓中，螺栓的最大應力為485.7 MPa，該應力出現在退刀槽與螺栓第一條螺紋結合處，在螺栓的許用應力范圍之內，變形最大值為0.958 mm，符合螺栓的強度要求[12-13]。

3.2 工況二計算結果

在正常蓄水位，帶82.5 MW負荷工況下，在頂蓋與座環間的聯接螺栓施加了295 kN的螺栓預緊力，此時水輪機頂蓋與轉輪之間密封腔所受的水壓為0.20 MPa，水輪機導葉區頂蓋受到的水壓力為0.82 MPa。頂蓋、螺栓的應力、變形分布見圖12—14。

圖12 水輪機頂蓋應力與變形

圖13 聯接螺栓整體應力與變形分布

圖14 典型螺栓應力與變形分布

根據圖13、14可以得出，在該工況下，大多數聯接螺栓的最大應力分布在300～500 MPa之間，在94顆螺栓中，螺栓的最大應力為580.96 MPa，該應力出現在退刀槽與螺栓第一條螺紋結合處，在螺栓的許用應力范圍之內，變形最大值為1.23 mm，符合螺栓的強度要求。

3.3 工況三計算結果

在正常蓄水位，帶110 MW負荷工況下，在頂蓋與座環間的聯接螺栓施加了295 kN的螺栓預緊力，此時水輪機頂蓋與轉輪之間密封腔所受的水壓為0.20 MPa，水輪機導葉區頂蓋受到的水壓力為0.78 MPa。頂蓋、螺栓應力、變形分布見圖15—17。

圖15 水輪機頂蓋應力與變形

根據圖16、17可以得出，在該工況下，大多數聯接螺栓的最大應力分布在300～500 MPa之間，在94顆螺栓中，螺栓的最大應力為576.82 MPa，該應力出現在退刀槽與螺栓第一條螺紋結合處，在螺栓的許用應力范圍之內，變形最大值為1.23 mm，符合螺栓的強度要求。

圖16 聯接螺栓整體應力與變形分布

圖17 典型螺栓應力與變形分布

3.4 總結

3種工況計算數據見表4。

表4 聯接螺栓計算結果

由表4可以得出聯接螺栓在運行中所受最大應力為580.36 MPa，最大變形為1.23 mm，在許用范圍內，符合強度要求。

4 結論

運用ANSYS數值模擬平臺，采用有限元分析方法，施加電站實際甩負荷工況下荷載，得到以下結論。

a)在正常蓄水位，帶82.5 MW負荷工況下，頂蓋與座環間的聯接螺栓所受的應力最大，螺栓的最大等效應力為580.36 MPa(小于屈服強度640 MPa)，最大變形為1.23 mm。依據相關規范，計算結果符合規范要求，并與實際情況相符合。

b)螺栓聯接部件的配合斷面附近出現最大應力，即為最危險截面，應加強監控。因此可采用超聲裝置監測螺栓的殘余應力對其進行監控。