水泵水輪機(jī)頂蓋螺栓強(qiáng)度特性研究

趙 強(qiáng),曹佳麗,羅永要,高洪軍

(1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院,北京 100053;2.水圈科學(xué)與水利工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué)),北京 100084;3.清華大學(xué)能源與動(dòng)力工程系,北京 100084;4.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040)

0 前言

抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中承擔(dān)著舉足輕重的作用,抽水蓄能機(jī)組的發(fā)展也越來(lái)越趨向于高水頭化、大容量化。頂蓋和座環(huán)是抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的重要部件,頂蓋上所有的外載荷幾乎都通過(guò)頂蓋聯(lián)接螺栓傳遞給座環(huán),頂蓋聯(lián)接螺栓是水泵水輪機(jī)最重要的螺栓連接之一。頂蓋聯(lián)接螺栓的失效往往會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至重大傷亡事故,震驚世界的俄羅斯薩揚(yáng)舒申斯克水電站機(jī)毀人亡事故,就是由多個(gè)頂蓋聯(lián)接螺栓斷裂導(dǎo)致[1-2]。黃河中游某大型水電站3 號(hào)機(jī)組檢修期間進(jìn)行頂蓋解體檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)數(shù)條頂蓋把合螺栓斷裂,是典型的疲勞斷裂[3]。國(guó)內(nèi)某抽水蓄能電站機(jī)組在甩負(fù)荷過(guò)程中頂蓋聯(lián)接螺栓斷裂,頂蓋抬起,高壓水從水車室頂蓋處大量涌出,最終導(dǎo)致水淹廠房。事故后挑選斷裂的35 支螺栓送檢,其中21 支存在疲勞裂紋,且裂紋均起源于螺紋根部(如圖1所示)[4-5]。因此,深入理解復(fù)雜外部激勵(lì)載荷下的頂蓋螺栓的強(qiáng)度特性,是蓄能機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行的重要保障。

高強(qiáng)度聯(lián)接螺栓對(duì)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定非常重要,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其強(qiáng)度性能開(kāi)展了深入研究。Ajaei 等[6]對(duì)大型風(fēng)力機(jī)塔筒聯(lián)接螺栓在預(yù)緊力和工作載荷作用下的應(yīng)力特性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)螺栓彎曲應(yīng)力隨著預(yù)緊力的增大而增大,動(dòng)應(yīng)力隨著預(yù)緊力的增大而減小。Kang 等[7]對(duì)某2.5MW 大型風(fēng)機(jī)主軸和輪轂聯(lián)接螺栓進(jìn)行了整體建模,對(duì)其在多軸隨機(jī)疲勞荷載作用下的應(yīng)力和疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。Raquel 等[8]考慮螺栓和螺母螺紋之間的不同摩擦系數(shù),研究了預(yù)緊力對(duì)海上風(fēng)機(jī)M72 聯(lián)接螺栓應(yīng)力分布的影響。董瑾等[9]對(duì)汽輪機(jī)高溫緊固螺栓所受應(yīng)力特別是附加彎曲應(yīng)力進(jìn)行了全面的分析,采用平均應(yīng)力Morrow 修正式對(duì)彎曲應(yīng)力對(duì)疲勞特性的曲線的影響進(jìn)行了研究。熊永俊等[10]針對(duì)白蓮河抽水蓄能電站導(dǎo)葉套筒螺栓的工作載荷狀態(tài)及工作應(yīng)力進(jìn)行分析,確認(rèn)了導(dǎo)葉套筒螺栓的斷裂原因。Casanovaa 等[11]對(duì)混流式水輪機(jī)主軸聯(lián)接螺栓進(jìn)行了疲勞原因分析,發(fā)現(xiàn)螺紋根部劃痕和預(yù)緊力不足是造成其失效的主要原因。何柏靈等[12]在考慮水輪機(jī)頂蓋螺栓預(yù)緊力的基礎(chǔ)上,對(duì)水輪機(jī)頂蓋的變形進(jìn)行了研究。張續(xù)鐘等[13]參考VDI2230 基準(zhǔn),確定了頂蓋螺栓的預(yù)緊荷載和工作荷載,進(jìn)行了螺栓的安全性設(shè)計(jì)和校核。熊欣等[14]分別采用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》、VDI 2230 基準(zhǔn)以及有限元仿真3 種方法,進(jìn)行了水輪機(jī)頂蓋螺栓強(qiáng)度分析。孫立賓等[15]采用變量參數(shù)化方法分析了頂蓋和連接螺栓結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)螺栓應(yīng)力幅的影響。葛新峰等[16-17]基于靜力學(xué)基本方程及有限單元法對(duì)水輪機(jī)五種運(yùn)行工況下頂蓋螺栓的剛強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析,比較了內(nèi)外頂蓋螺栓的受力特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)機(jī)組在最大水頭、額定出力時(shí)頂蓋螺栓應(yīng)力最大。練繼建等[18]建立了頂蓋及螺栓的有限元模型,結(jié)合實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)與有限元?jiǎng)恿Ψ治?反演了頂蓋水壓脈動(dòng)荷載,對(duì)頂蓋螺栓進(jìn)行了疲勞壽命分析。趙俊杰等[19-20]利用電站實(shí)測(cè)甩負(fù)荷數(shù)據(jù),采用有限元方法研究了頂蓋聯(lián)接螺栓的應(yīng)力分布和疲勞壽命。

本文建立了某水泵水輪機(jī)頂蓋-頂蓋螺栓-座環(huán)非線性有限元分析模型,通過(guò)流固耦合算法將轉(zhuǎn)輪上冠間隙腔內(nèi)壓力映射到頂蓋過(guò)流面上,研究頂蓋聯(lián)接螺栓在典型工況和不同預(yù)緊力作用下的應(yīng)力分布和相對(duì)剛度變化規(guī)律,為蓄能機(jī)組頂蓋螺栓的設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型和邊界條件

本文的研究對(duì)象為某水泵水輪機(jī)組的頂蓋、96 個(gè)頂蓋螺栓和座環(huán)組成的多體結(jié)構(gòu),上下法蘭每間隔2 個(gè)螺孔布置1 塊肋板,如圖2所示。其中在頂蓋和座環(huán)、頂蓋和螺帽之間建立接觸單元;本文未建立螺紋細(xì)節(jié),采用ANSYS 提供的螺栓截面法模擬螺柱與座環(huán)和螺柱與螺帽之間的螺紋連接行為。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,頂蓋螺栓除了受到預(yù)緊力F0的作用,還受到頂蓋軸向水推力F的作用,受力重新分配后,螺栓所受的總力為Fz=F0+ΔF,螺栓的相對(duì)剛度φ=ΔF/F,螺栓的夾緊力系數(shù)δ=F1/F,螺栓和被連接件的受力如圖3所示。相對(duì)剛度代表了工作載荷“分配” 給螺栓和被連接件的比例。相對(duì)剛度越大,工作載荷分配給螺栓的比例越大,分配給被連接件的比例越小,夾緊力下降就越小,螺栓連接越安全可靠。相對(duì)剛度與頂蓋和座環(huán)的尺寸、材料等因素有關(guān)。實(shí)際工作過(guò)程中,頂蓋和座環(huán)等零部件的接觸將隨時(shí)間、載荷等的變化發(fā)生非線性變化,因此螺栓的相對(duì)剛度并非定值,會(huì)在工作過(guò)程中發(fā)生變化。

圖2 頂蓋-頂蓋螺栓-座環(huán)非線性模型

頂蓋-頂蓋螺栓-座環(huán)非線性模型的水壓力耦合作用面如圖4 中紅色線條所示,在本文中,開(kāi)展了水輪機(jī)額定工況、水泵零流量工況和雙機(jī)甩100%負(fù)荷過(guò)程頂蓋水推力峰值工況(簡(jiǎn)稱雙甩工況)下的頂蓋螺栓受力計(jì)算,三種工況下頂蓋流固耦合作用面上的水壓力分布如圖5所示(水力計(jì)算本文不展開(kāi))。從圖5可以看出,額定工況下,隨著半徑的減小,各面上的壓力逐漸減小,導(dǎo)葉頭部為高壓區(qū)。水泵零流量工況下,由于導(dǎo)葉開(kāi)度極小,因此水流流過(guò)導(dǎo)葉間的縫隙時(shí),流速加大,壓力降至極低;水流過(guò)縫隙后,流速大幅降低,導(dǎo)致導(dǎo)葉后出現(xiàn)高壓區(qū),之后隨著半徑的減小,各面上的壓力逐漸減小。在雙甩工況下,隨著半徑的減小,各面上的壓力逐漸減小,活動(dòng)導(dǎo)葉分布圓前后的壓力分布沿圓周方向呈現(xiàn)很明顯的不均勻性。從整體的壓力分布可以看出,水輪機(jī)額定工況下頂蓋承受的水推力最小,水泵零流量工況下頂蓋承受的水推力居中,而雙甩工況下頂蓋承受的水推力最大。

圖4 水壓力耦合作用面示意圖

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同工況下頂蓋螺栓的強(qiáng)度特性

在450MPa 的頂蓋螺栓預(yù)緊力作用下,開(kāi)展了水輪機(jī)額定工況、水泵零流量工況和雙甩工況下頂蓋-頂蓋螺栓-座環(huán)非線性模型的強(qiáng)度特性分析。雙甩工況下整體模型的應(yīng)力分布如圖6所示,在預(yù)緊力的作用下,雙層法蘭相互靠近,上法蘭上面不再保持平面,兩個(gè)肋板中間的法蘭面凹陷,法蘭肋板受到擠壓作用;而在頂蓋水推力的作用下,頂蓋法蘭內(nèi)側(cè)上鼓,在預(yù)緊力和頂蓋水推力的作用下,除了軸向應(yīng)力,頂蓋螺栓還承受著較大的彎曲應(yīng)力。

圖6 雙甩工況整體應(yīng)力分布

單個(gè)螺柱的應(yīng)力分布如圖7所示,應(yīng)力集中出現(xiàn)在螺紋面與光桿面的過(guò)渡區(qū)域,與頂蓋螺栓的實(shí)際斷裂位置吻合。螺柱在預(yù)緊力和頂蓋水推力的作用下被拉長(zhǎng),但由于法蘭內(nèi)側(cè)與外側(cè)剛度相差較大,上下法蘭間肋板的存在也造成了法蘭不同位置的剛度不同,使得螺柱受到彎矩作用,向法蘭盤剛度較弱的一側(cè)彎曲變形。在螺柱的光桿上,選擇5 個(gè)不同的高度做截面,分別命名為A、B、C、D和E,截面的應(yīng)力分布如圖7所示,5 個(gè)截面沿圓周方向的應(yīng)力變化曲線如圖8所示。從截面應(yīng)力分布圖和截面圓周方向的應(yīng)力變化曲線可以看出,截面距離螺帽越近,彎曲效應(yīng)越大,A截面的最大應(yīng)力差值達(dá)到了應(yīng)力均值的1/3 以上。

圖7 單個(gè)螺柱和截面的應(yīng)力分布

圖8 螺柱截面沿圓周方向的應(yīng)力變化曲線

本文研究的多體結(jié)構(gòu)中,96 個(gè)螺栓在圓周方向上均布,而頂蓋及座環(huán)的結(jié)構(gòu)在圓周方向上并非完全軸對(duì)稱,因此不同方位的螺柱雖然變形相似,載荷變化趨勢(shì)相同,但承受的總拉力和相對(duì)剛度各不相同。

螺柱承受總拉力周向分布如圖9所示,可見(jiàn),圓周方向上總拉力基本呈現(xiàn)周期性變化,越靠近支撐肋板的螺柱承受的總拉力越大,遠(yuǎn)離支撐肋板的螺柱總拉力較小。由于合縫面上肋板最厚,剛度最大,因此在其附近的螺柱總拉力也要大于其他支撐肋板附近的螺柱。而進(jìn)人門處由于沒(méi)有環(huán)形肋板,頂蓋在此處剛度大大減弱,相比其他螺柱,此處螺柱承受的總拉力是最小的。總體來(lái)說(shuō),96 個(gè)螺柱的總拉力分布以合縫面和進(jìn)人門肋板為兩個(gè)對(duì)稱軸,呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布。總拉力最大的螺柱為63 號(hào)螺柱,最小的為69 號(hào)螺柱。

頂蓋和座環(huán)的接觸法蘭面上的接觸壓力分布如圖10所示,可見(jiàn),在頂蓋水推力的作用下,法蘭面的徑向內(nèi)側(cè)接觸壓力較小,而法蘭面的徑向外側(cè)接觸壓力較大;從周向來(lái)看,由于頂蓋法蘭2 孔1 肋的布置結(jié)構(gòu),肋板對(duì)應(yīng)的位置接觸壓力明顯更大。通過(guò)對(duì)每個(gè)螺孔所在的扇形區(qū)域積分可以得到每個(gè)螺柱的夾緊力,從而可以求得每個(gè)螺柱承受的工作載荷和相對(duì)剛度,三種工況下螺柱的夾緊力周向分布如圖11所示,可見(jiàn)夾緊力沿周向的分布規(guī)律與螺柱承受總拉力的分布規(guī)律剛好相反,越靠近支撐肋板的螺柱其夾緊力越小,遠(yuǎn)離支撐肋板的螺柱其夾緊力越大,進(jìn)人門附近的螺柱其夾緊力最大。三種工況下螺柱承受的工作載荷周向分布如圖12所示,可見(jiàn),工作載荷在圓周方向也是非均布的,其分布規(guī)律與螺柱承受的總拉力分布規(guī)律類似,但其變化幅度很大,如水輪機(jī)額定工況螺柱的工作載荷在630～1520kN 之間變化;水泵零流量工況螺柱的工作載荷在770～1800kN 之間變化;雙甩工況螺柱的工作載荷在990～2200kN 之間變化。

圖12 螺柱承受的工作載荷周向分布

螺柱的相對(duì)剛度周向分布如圖13所示,其變化趨勢(shì)和螺柱承受的總拉力變化趨勢(shì)相同,螺柱的相對(duì)剛度沿周向變化幅度非常大,為0.06～0.14,隨著頂蓋軸向水推力的增大,各個(gè)螺柱的相對(duì)剛度基本不變,可見(jiàn)頂蓋螺柱的空間位置對(duì)其相對(duì)剛度影響較大,而頂蓋承受的軸向水推力對(duì)螺柱的相對(duì)剛度影響較小。

圖13 螺柱的相對(duì)剛度周向分布

2.2 預(yù)緊力對(duì)頂蓋螺栓強(qiáng)度的影響

螺柱的預(yù)緊力大小除了影響螺柱的總拉力及應(yīng)力集中數(shù)值以外,還會(huì)造成相對(duì)剛度和夾緊力系數(shù)的改變,影響頂蓋與座環(huán)連接的緊密程度。本文進(jìn)行了頂蓋螺栓預(yù)緊力為350MPa、450MPa 和550MPa 條件下雙甩工況頂蓋-頂蓋螺栓-座環(huán)非線性模型的強(qiáng)度特性分析。

圖14 為不同預(yù)緊力下雙甩工況螺柱相對(duì)剛度的變化曲線。隨著預(yù)緊力的增加,單個(gè)螺柱的相對(duì)剛度減小,由于接觸問(wèn)題的非線性特征,這種減小并不是線性的,預(yù)緊力越大,相對(duì)剛度減小的幅度越慢。

圖14 雙甩工況螺柱的相對(duì)剛度隨預(yù)緊力的變化曲線

圖15 為不同預(yù)緊力下雙甩工況螺柱夾緊力系數(shù)的變化曲線。隨著預(yù)緊力的增加,單個(gè)螺柱的夾緊力系數(shù)快速增加;由于頂蓋肋板的存在,螺柱夾緊力系數(shù)在周向呈周期性變化,且其變化幅度較大,350MPa 預(yù)緊力時(shí),夾緊力系數(shù)約為0.1～1.0,450MPa 預(yù)緊力時(shí),夾緊力系數(shù)約為0.3～1.8,550MPa 預(yù)緊力時(shí),夾緊力系數(shù)約為0.6～2.6。

圖15 雙甩工況螺柱的夾緊力系數(shù)隨預(yù)緊力的變化曲線

3 結(jié)論

本文以某水泵水輪機(jī)頂蓋-頂蓋螺栓-座環(huán)多體系統(tǒng)為研究對(duì)象,基于流固耦合算法將轉(zhuǎn)輪上冠間隙腔內(nèi)壓力映射到頂蓋過(guò)流面上,定量分析了不同頂蓋軸向水推力和預(yù)緊力對(duì)連接螺栓強(qiáng)度特性的影響,結(jié)論如下:

(1)頂蓋雙法蘭1 肋2 螺孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致法蘭剛度不均勻,在預(yù)緊力和頂蓋水推力的作用下,除了軸向應(yīng)力,頂蓋螺柱還承受著較大的彎曲應(yīng)力,距離螺帽越近,螺柱截面彎曲應(yīng)力越大。

(2)頂蓋圓周方向的剛度不均勻?qū)е?6 個(gè)螺柱承受的總拉力、工作載荷、螺柱的夾緊力系數(shù)和相對(duì)剛度沿圓周方向基本呈周期性變化,并以合縫面和進(jìn)人門肋板為兩個(gè)對(duì)稱軸,呈現(xiàn)軸對(duì)稱分布,且其變化幅度較大。隨著頂蓋軸向水推力的增大,各個(gè)螺柱的相對(duì)剛度基本不變。

(3)隨著預(yù)緊力的增加,單個(gè)螺柱的相對(duì)剛度減小,且預(yù)緊力越大,相對(duì)剛度減小的幅度越慢。