三峽右岸電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)剛強(qiáng)度性能研究

丁淑華,龐立軍

(哈爾濱大電機(jī)研究所,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 前言

三峽右岸電站機(jī)組是我國目前最大的水電機(jī)組,為了保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的大部件包括頂蓋、導(dǎo)葉和控制環(huán)開展剛強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性研究十分必要。根據(jù)混流式水輪機(jī)頂蓋的受力特點(diǎn),頂蓋的應(yīng)力水平不是設(shè)計(jì)的主要矛盾,設(shè)計(jì)所要關(guān)心的是頂蓋的軸向變形和徑向剛度;對(duì)于活動(dòng)導(dǎo)葉來說,在正常運(yùn)行工況下,導(dǎo)葉瓣體上下游水壓力差較小,導(dǎo)葉的應(yīng)力和變形都很小,因此在計(jì)算過程中主要考慮緊急停機(jī)和剪斷銷破壞兩種工況;控制環(huán)的外載主要來源于接力器的作用力,在分析過程中對(duì)控制環(huán)采取加筋板、調(diào)節(jié)壓板間隙的方法來控制其變形,并對(duì)控制環(huán)在吊裝過程中的應(yīng)力和變形進(jìn)行了分析。

水輪機(jī)基本參數(shù)如下:

額定功率 Nr: 710MW

機(jī)組額定轉(zhuǎn)速 nr:75.0r/min

機(jī)組飛逸轉(zhuǎn)速 np:150r/min

導(dǎo)葉中心線 Z: 57m

下游水位 hD: 62m

上游水位 hU: 175m

升壓水頭 hP: 152.4m

活動(dòng)導(dǎo)葉個(gè)數(shù): 24個(gè)

2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要部件有限元分析

2.1 頂蓋

三峽右岸電站水輪機(jī)頂蓋采用箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),由于結(jié)構(gòu)具有周期對(duì)稱性,計(jì)算模型取整體結(jié)構(gòu)的1/24即可,其計(jì)算模型如圖 1所示。計(jì)算工況主要是正常運(yùn)行工況、靜水關(guān)閉工況和升壓水頭工況;計(jì)算載荷為過流面水壓力,同時(shí)考慮了頂蓋自身重量以及控制環(huán)和軸承的重量。圖 2為頂蓋在水輪機(jī)工況的變形分布圖,表 1給出了頂蓋在 3種工況下的應(yīng)力與變形結(jié)果。

表1 頂蓋在 3種工況下的應(yīng)力和變形結(jié)果

在計(jì)算頂蓋的徑向剛度時(shí),取頂蓋整體的一半作為計(jì)算模型,對(duì)稱面按對(duì)稱邊界條件處理,在水導(dǎo)軸承支撐處施加總徑向力 F=620N的余弦分布力,通過有限元計(jì)算得出徑向最大變形為δ=0.000283mm。

頂蓋徑向剛度為:由以上計(jì)算結(jié)果表明:頂蓋的應(yīng)力水平較低,頂蓋的軸向剛度和徑向剛度均能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 活動(dòng)導(dǎo)葉

對(duì)于水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉,選取整個(gè)導(dǎo)葉作為計(jì)算模型,計(jì)算工況為緊急停機(jī)和剪斷銷破壞 2種工況。緊急停機(jī)時(shí),導(dǎo)葉受到的水壓力、關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)的操作力均達(dá)到最大,為正常運(yùn)行時(shí)的最危險(xiǎn)工況;剪斷銷破壞則是導(dǎo)葉被異物卡住時(shí)的工況,為最壞極限工況。通?？ㄗ↑c(diǎn)只能在全部導(dǎo)葉的兩只導(dǎo)葉之間,而這時(shí)需要有兩種情況,即一只導(dǎo)葉卡住點(diǎn)在導(dǎo)葉頭部,另一只導(dǎo)葉卡住點(diǎn)在導(dǎo)葉尾部,最危險(xiǎn)的情況是在導(dǎo)葉中間點(diǎn)卡住。在最危險(xiǎn)情況下,導(dǎo)葉按最大靜水頭下的水壓力計(jì)算,上游水壓力為 P1=1.154MPa,下游水壓力為 P2=0.049MPa,由接力器產(chǎn)生的作用于導(dǎo)葉臂上的操作力 FL,由設(shè)計(jì)確定,一般為緊急停機(jī)工況時(shí)的 2倍?；顒?dòng)導(dǎo)葉的材料性能:0Cr13Ni4Mo,σs=550MPa,σb=750MPa。

表2為活動(dòng)導(dǎo)葉在緊急停機(jī)工況下的應(yīng)力,表3為剪斷銷破壞工況的應(yīng)力;圖3為活動(dòng)導(dǎo)葉在緊急停機(jī)工況時(shí)的 mises應(yīng)力分布圖,圖 4為活動(dòng)導(dǎo)葉在緊急停機(jī)工況時(shí)瓣體軸向應(yīng)力分布圖。

表2 活動(dòng)導(dǎo)葉在緊急停機(jī)工況下的應(yīng)力 MPa

表3 活動(dòng)導(dǎo)葉在剪斷破壞工況的應(yīng)力 MPa

圖3 緊急停機(jī)時(shí)的 mises應(yīng)力分布

圖4 緊急停機(jī)時(shí)瓣體軸向應(yīng)力分布

有限元分析結(jié)果可以看出:緊急停機(jī)和剪斷銷破壞工況活動(dòng)導(dǎo)葉的應(yīng)力分布比較均勻,最大軸向應(yīng)力和最大剪應(yīng)力都出現(xiàn)在導(dǎo)葉瓣體與樞軸的交接處,活動(dòng)導(dǎo)葉的平均應(yīng)力水平都低于許用應(yīng)力值 (σs/3)。

通過有限元分析,活動(dòng)導(dǎo)葉的自振頻率如下表4所示;活動(dòng)導(dǎo)葉的卡門渦頻率計(jì)算如下圖 5所示,卡門渦的頻率范圍是 107.1～240.1Hz。

由此可知:活動(dòng)導(dǎo)葉的自振頻率與卡門渦頻率錯(cuò)開范圍較大,不會(huì)引起共振。

表4 活動(dòng)導(dǎo)葉自振頻率 Hz

圖5 活動(dòng)導(dǎo)葉卡門渦頻率計(jì)算

2.3 控制環(huán)

對(duì)控制環(huán)的有限元分析,主要是通過對(duì)增加筋板、調(diào)節(jié)壓板間隙、控制環(huán)起吊 3種情形分別進(jìn)行計(jì)算,圖 6為控制環(huán)有限元分析模型。

計(jì)算控制環(huán)所用基本參數(shù):

接力器直徑: D=1050mm

接力器操作最大油壓: p=6.3MPa

控制環(huán)大耳柄分布圓直徑:D1=9060mm

控制環(huán)高度: H=1840mm

接力器的最大作用力: F=5.45e+6N

取整個(gè)控制環(huán)作為計(jì)算模型,約束小耳柄處的切向位移,用 Gap單元來模擬壓板處的軸向約束,壓板間隙為 0.5mm。外載荷為來自接力器的作用力 F,假設(shè)力 F平均分配到大耳柄的孔臺(tái)上,按余弦分布規(guī)律作用在孔的內(nèi)緣。

另外,控制環(huán)總重為 70t,在起吊時(shí)變形較大,因此對(duì)于起吊過程分半個(gè)控制環(huán)起吊和整個(gè)控制環(huán)起吊兩種情況進(jìn)行計(jì)算。

2.3.1 控制環(huán)加筋板

為了便于比較,假設(shè)壓板軸向間隙為 0,通過對(duì)控制環(huán)立筒板處加三角筋板和不加任何筋板進(jìn)行比較可知:控制環(huán)不加筋時(shí)最大變形為0.616mm,最大應(yīng)力為 σmax=45.0MPa:加筋時(shí)最大變形為0.615mm,最大應(yīng)力為 σmax=43.0MPa。因此是否加筋板對(duì)控制環(huán)的剛強(qiáng)度影響很小?？刂骗h(huán)其它部位的應(yīng)力都比較低,滿足強(qiáng)度要求。

2.3.2 調(diào)節(jié)壓板間隙

分別按 0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、10.0mm的軸向壓板間隙來比較控制環(huán)的剛強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果如表 5所示,圖 7為控制環(huán)在軸向壓板間隙為 0.5mm時(shí)的應(yīng)力與變形圖。

圖6 控制環(huán)有限元分析模型

圖7 軸向壓板間隙為 0.5mm時(shí)的應(yīng)力的變形

表5 軸向壓板間隙對(duì)控制環(huán)應(yīng)力和變形影響比較

從表中可以看出,壓板軸向間隙對(duì)控制環(huán)的變形影響很大,間隙設(shè)計(jì)偏大是導(dǎo)致控制環(huán)剛度差的主要原因。只要壓板的軸向間隙調(diào)整得當(dāng),控制環(huán)結(jié)構(gòu)本身剛強(qiáng)度是可以滿足要求的。

2.3.3 控制環(huán)吊裝時(shí)的變形和應(yīng)力

通過有限元計(jì)算,控制環(huán)整體起吊(4點(diǎn)均勻起吊,吊角 30°)時(shí)最大變形為 0.96mm,一半控制環(huán)起吊(3點(diǎn)起吊,吊角 30°)時(shí)最大變形為 1.78mm。因此,按圖紙要求進(jìn)行起吊,控制環(huán)的變形是可以滿足各項(xiàng)要求的,不會(huì)產(chǎn)生有害變形。問題的關(guān)鍵是,實(shí)際操作時(shí),由于 4根繩子不可能做到一樣長,造成受力不均勻,只有 2點(diǎn)受力,則控制環(huán)起吊時(shí)變形將達(dá)到 7mm,因此要必須保證掛繩質(zhì)量。

3 結(jié)語

水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的剛強(qiáng)度性能及動(dòng)態(tài)特性是影響水電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。通過有限元分析表明:頂蓋的應(yīng)力水平較低,軸向剛度和徑向剛度能夠滿足軸系設(shè)計(jì)要求;活動(dòng)導(dǎo)葉在緊急停機(jī)和剪斷銷破壞工況的應(yīng)力分布比較均勻,最大軸向應(yīng)力和最大剪應(yīng)力都出現(xiàn)在導(dǎo)葉瓣體與樞軸交接處,自振頻率能夠有效避開水力激振頻率,不會(huì)引起機(jī)組共振;控制環(huán)的整體應(yīng)力水平較低,通過調(diào)整壓板間隙可以提高控制環(huán)的整體剛度。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的整體剛強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性能夠滿足設(shè)計(jì)要求,可以保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。