帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋軸向剛度主要影響因素分析

龐立軍, 鐘 蘇

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋軸向剛度主要影響因素分析

龐立軍, 鐘 蘇

（哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040）

本文從板厚配置、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何尺寸三個(gè)方面系統(tǒng)地闡述了帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋軸向剛度主要影響因素。了解和掌握這些因素，對(duì)于有效控制帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋的軸向變形具有重要的指導(dǎo)意義。

圓筒閥; 頂蓋; 軸向剛度

1 前言

水輪機(jī)采用圓筒閥結(jié)構(gòu)可以在停機(jī)過程中有效地保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和減少電站的漏水損失，目前，我國已有大潮山、漫灣、小灣、光照等水電站采用了圓筒閥結(jié)構(gòu)。在建的瀑布溝、錦屏一級(jí)、錦屏二級(jí)、糯扎渡和溪洛渡等大型水電站均將采用這種結(jié)構(gòu)。由于圓筒閥設(shè)置在頂蓋與座環(huán)上環(huán)形成的空腔內(nèi)，頂蓋需要采用上法蘭結(jié)構(gòu)，法蘭外徑與普通上法蘭結(jié)構(gòu)的頂蓋相比尺寸要大得多，而且頂蓋的外環(huán)板直到法蘭密封處要承受上游側(cè)的水壓力，使箱式結(jié)構(gòu)的頂蓋受力成懸臂梁結(jié)構(gòu)，在一定程度上加大了頂蓋的軸向變形。因此，保證帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋的軸向剛度成為設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)突出問題。

本文以某水電站帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋為例，從板厚配置、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何尺寸三個(gè)方面系統(tǒng)地分析了帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋軸向剛度的主要影響因素。

2 頂蓋結(jié)構(gòu)

某水電站帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋有限元模型如圖1所示，從整體結(jié)構(gòu)上看基本屬于箱式結(jié)構(gòu)。在板厚配置上，各個(gè)板件厚度見表1；在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，頂蓋為上法蘭型式，長短幅向筋板各12條，設(shè)有外環(huán)板；在幾何尺寸上，頂蓋高度 h=1830mm，法蘭螺栓分布圓直徑 D=9880mm，止漏環(huán)直徑 d=6628mm。用來分析此頂蓋的某水電站主要參數(shù)如下：

圖1 頂蓋有限元模型

3 頂蓋軸向剛度的主要影響因素分析

通常情況下，頂蓋在正常運(yùn)行工況下的軸向變形較大，因此，在有限元分析過程中僅以正常運(yùn)行工況為例。圖 2為頂蓋在正常運(yùn)行工況下的軸向變形，最大軸向變形δ=3.73mm。以下從三個(gè)方面對(duì)頂蓋軸向剛度的主要影響因素進(jìn)行深入探討。

3.1 板厚配置因素

應(yīng)用 I-DEAS程序的板厚優(yōu)化技術(shù)對(duì)頂蓋的各個(gè)板件進(jìn)行變量化分析，通過變量化分析來尋找到影響頂蓋軸向變形的板厚因素。頂蓋各板厚如表1所示。

表1中T1～T10為分析參數(shù)（與圖1所示各板件相對(duì)應(yīng)），以 T表示板件厚度，厚度變化范圍為[0.8T，1.2T]。

圖2 頂蓋在水輪機(jī)工況時(shí)的軸向變形

表1 頂蓋各板件厚度 mm

應(yīng)用有限元分析模型對(duì)板件厚度參數(shù)進(jìn)行變量化分析，隨著頂蓋各板厚度變化，最大軸向變形變化趨勢曲線如圖3所示，最大軸向變形變化幅度如圖4所示，圖中的結(jié)果是對(duì)應(yīng)某板厚變化而其他板厚為初始值時(shí)的最大變形的變化幅度。

圖3 最大軸向變形變化趨勢曲線

從圖 3中可以看出，在所有板厚參數(shù)中，法蘭板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）對(duì)頂蓋軸向變形的影響最大，隨著法蘭板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）的增大，最大軸向變形呈明顯下降趨勢，其他板件厚度對(duì)頂蓋的軸向變形影響很??；從圖 4中可以看出，法蘭板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）由最小值增大到最大值，最大軸向變形的降幅分別為 0.69mm和0.85mm；其他板件厚度變化對(duì)軸向變形的影響幅度都在0.2mm以下。由此可見，法蘭板厚度T1和外上面板厚度 T2是頂蓋軸向變形的主要板厚影響參數(shù)。因此，對(duì)于帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋設(shè)計(jì)，保證法蘭板厚度和外上面板厚度是增強(qiáng)頂蓋軸向剛度的重要因素。

圖4 最大軸向變形變化幅度直方圖

3.2 結(jié)構(gòu)拓?fù)湟蛩?/h3>

頂蓋受到的所有外載荷都將通過法蘭傳遞給座環(huán)至混凝土基礎(chǔ)，因此，法蘭的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)頂蓋的軸向剛度影響很大；外環(huán)板與法蘭相連，它對(duì)頂蓋的軸向剛度影響與法蘭型式有關(guān)；幅向筋板的數(shù)量一般為導(dǎo)葉孔數(shù)或?qū)~孔數(shù)的1/2，幅向筋板承受著主要的剪切變形。

由于帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋受到結(jié)構(gòu)型式限制，必須采用上法蘭結(jié)構(gòu)，因此，在拓?fù)湫褪缴峡梢钥紤]單上法蘭、雙上法蘭或在單上法蘭板上面增加48塊小筋板的結(jié)構(gòu)，雙上法蘭結(jié)構(gòu)如圖5所示；采用雙上法蘭結(jié)構(gòu)時(shí)，在法蘭中間加48塊小筋板；對(duì)于幅向筋板來說，在拓?fù)湫褪缴峡梢詫?duì)筋板數(shù)量和厚度進(jìn)行改變；外環(huán)板在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上沒有變化，只能從厚度上加以考慮；應(yīng)用I-DEAS程序所得計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖5 頂蓋雙上法蘭結(jié)構(gòu)

表2 頂蓋拓?fù)湟蛩貙?duì)軸向剛度的影響 mm

由表 2可見，采用雙上法蘭結(jié)構(gòu)，在一定程度上可以提高頂蓋的軸向剛度，同時(shí)導(dǎo)葉孔處的軸向變形降低明顯。當(dāng)兩塊法蘭板均用100mm厚時(shí)，頂蓋的軸向剛度增加12.8%；當(dāng)上法蘭板厚度為200mm，下法蘭板厚度為100mm時(shí)，頂蓋的軸向剛度增加18.5%；當(dāng)上法蘭板厚度為 100mm，下法蘭板厚度為 200mm時(shí)，頂蓋的軸向剛度增加 15%。這說明當(dāng)采用雙上法蘭時(shí)，上面的法蘭板要設(shè)計(jì)厚些，對(duì)提高頂蓋的軸向剛度更有幫助。當(dāng)增加兩法蘭中間小筋板的厚度，同時(shí)減小下法蘭板的厚度時(shí)，頂蓋的軸向剛度增加20.1%，說明小筋板的薄厚在雙上法蘭結(jié)構(gòu)中作用明顯。然而，當(dāng)兩個(gè)法蘭板間的高度由 380mm降低到180mm時(shí)，頂蓋的軸向剛度相對(duì)降低了近26%，說明兩法蘭板之間的高度對(duì)頂蓋的軸向剛度影響很大。因此，在頂蓋設(shè)計(jì)過程中，在頂蓋高度允許的情況下應(yīng)盡量使兩法蘭板間的高度大一些更合理。從頂蓋的軸向變形上看，當(dāng)在原方案的法蘭板上面增加48塊小筋板后，頂蓋的軸向變形沒有明顯變化，這說明在原方案的法蘭板上面增加筋板不能有效提高頂蓋的軸向剛度。

從幅向筋板的型式上看，減少筋板數(shù)量對(duì)頂蓋的軸向變形影響顯著，其剛性減幅達(dá) 31.1%以上，如果把12條短筋板也改為長筋板，頂蓋的剛性略有升高，但效果甚微，不足1.3%；當(dāng)把所有筋板厚度減半和減少一半筋板數(shù)量相比，發(fā)現(xiàn)兩者效果完全不一樣，其軸向剛性下降的幅度前者約是后者的2/3。這一結(jié)果表明，在頂蓋設(shè)計(jì)中寧可使筋板薄一些，也要保證幅向筋板的數(shù)量與導(dǎo)葉孔數(shù)一致。

對(duì)于外環(huán)板的厚度因素，增加或減少厚度對(duì)頂蓋的軸向剛度影響在5%左右，這一數(shù)值與本文第3.1節(jié)板厚配置因素中所得到的計(jì)算結(jié)果相吻合。

3.3 結(jié)構(gòu)幾何因素

頂蓋的幾何尺寸因素主要包括：頂蓋的高度，法蘭把合螺栓分布圓直徑，止漏環(huán)直徑等因素。應(yīng)用I-DEAS程序的幾何優(yōu)化技術(shù)，通過改變以上幾何尺寸因素的數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果見表3。

表3 頂蓋幾何因素對(duì)軸向剛度的影響

從表 3可見，在結(jié)構(gòu)幾何影響因素中，法蘭把合螺栓分布圓直徑影響最大，頂蓋高度影響其次，止漏環(huán)直徑影響較小，不足4%。當(dāng)法蘭把合螺栓分布圓直徑減小180mm，頂蓋剛性增加19.5%，相反地，當(dāng)法蘭把合螺栓分布圓直徑增大 150mm，頂蓋剛性降低37.3%。因此，在帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋設(shè)計(jì)中，應(yīng)在保證圓筒閥布置空間的前提下使頂蓋法蘭把合螺栓分布圓直徑盡量設(shè)計(jì)到最小尺寸；同時(shí)，頂蓋高度的合理增加對(duì)提高頂蓋剛性作用也比較明顯，如果頂蓋高度設(shè)計(jì)偏低，頂蓋的剛性將下降明顯。

4 結(jié)論

帶圓筒閥的水輪機(jī)頂蓋軸向剛度的主要影響因素可以從板厚配置、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和幾何尺寸三個(gè)方面來考慮。

（1）在板厚配置因素上，法蘭板和外上面板厚度對(duì)頂蓋軸向剛度影響最大，在設(shè)計(jì)過程中保證法蘭板和外上面板厚度是增強(qiáng)頂蓋軸向剛性的重要因素。

（2）在拓?fù)漕愐蛩刂?，雙上法蘭結(jié)構(gòu)相對(duì)于單上法蘭結(jié)構(gòu)來說在一定程度上可以提高頂蓋的軸向剛度，同時(shí)可使導(dǎo)葉孔處的軸向變形降低明顯。在雙上法蘭結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)增加上面的法蘭板厚度、小筋板厚度和兩法蘭板之間的高度對(duì)提高頂蓋的軸向剛度效果明顯。在原方案的法蘭板上面增加小筋板對(duì)提高頂蓋軸向剛度作用不大。

（3）在拓?fù)漕愐蛩刂?，筋板?shù)量與導(dǎo)葉孔數(shù)要保持一致，根據(jù)實(shí)際情況可以使用長短筋板或全部使用長筋板，可以有效提高頂蓋軸向剛性。

（4）在結(jié)構(gòu)幾何因素中，法蘭把合螺栓分布圓直徑對(duì)頂蓋軸向剛度影響最大，把合螺栓分布圓直徑設(shè)計(jì)得越小，頂蓋軸向剛性越強(qiáng)，反之則越弱；其次是頂蓋高度，合理增加頂蓋高度對(duì)提高頂蓋軸向剛度十分必要。

[1] 廖日東. I-DEAS實(shí)例教程-有限元分析[M], 北京:北京理工大學(xué)出版社, 2003.

[2] 鐘蘇. 影響混流式水輪機(jī)頂蓋剛強(qiáng)度的主要因素分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 1995, (3): 36-40.

The Main Factors Analysis for the Axial Stiffness of Ring Gate Structure Turbine Head Cover

PANG Li-jun，ZHONG Su
( Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China )

The main factors for the axial stiffness of ring gate structure turbine head cover are expounded systematically in the aspects of thickness of plate， topological structure, geometry in this paper. Understanding and holding these, it is significant to control availably axial transmutation of ring gate stru cture turbine head cover.

ring gate; head cover; axial stiffness

TK730.2

B

1000-3983（2010）01-0054-04

2008-09-03

龐立軍（1976-），2000年畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)，現(xiàn)從事水輪機(jī)結(jié)構(gòu)部件剛強(qiáng)度與動(dòng)態(tài)特性研究工作，工程師。