陳光輝,李紅亮
(1.哈爾濱大電機(jī)研究所,黑龍江 哈爾濱150040;2.中原油田石油化工總廠,河南 濮陽457165)
由于燈泡貫流式機(jī)組為臥式結(jié)構(gòu),水流沿流道幾乎呈直線狀沖擊轉(zhuǎn)輪葉片,因此,在實際使用時,對連接葉片的轉(zhuǎn)輪體的剛強(qiáng)度考核要求很嚴(yán)格。本文分別采取單獨計算和聯(lián)合受力分析的方法對轉(zhuǎn)輪體的剛強(qiáng)度性能進(jìn)行考核,并應(yīng)用解析計算對考核結(jié)果進(jìn)行驗證分析。
對轉(zhuǎn)輪體剛強(qiáng)度性能進(jìn)行考核時,采取轉(zhuǎn)輪體單獨計算方法,轉(zhuǎn)輪體大小樞軸孔受到葉片傳遞的彎曲力通過壓力載荷進(jìn)行模擬。根據(jù)轉(zhuǎn)輪體的結(jié)構(gòu)特點,選取1/4轉(zhuǎn)輪體作為有限元分析模型,有限元分析模型如圖1所示。
基本計算參數(shù):最大水頭為15.5 m;額定水頭為14.4 m;葉片個數(shù)為4個;額定功率為21.76 MW;額定轉(zhuǎn)速為142.8 r/min;飛逸轉(zhuǎn)速為440 r/min。
圖1 轉(zhuǎn)輪體單獨計算有限元分析模型
貫流水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片采用轉(zhuǎn)槳式結(jié)構(gòu),葉片可以隨負(fù)荷的變化與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉聯(lián)動。
在貫流式機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體實際安裝中,上部與主軸連接,下部接泄水錐,轉(zhuǎn)輪體上裝有全部葉片和操作機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。為了反映轉(zhuǎn)輪體的應(yīng)力和變形分布情況,采取轉(zhuǎn)輪體、大樞軸、小樞軸、轉(zhuǎn)輪葉片聯(lián)合計算的方法進(jìn)行分析。有限元計算模型如圖2所示。
表1為轉(zhuǎn)輪體單獨計算和聯(lián)合受力分析計算結(jié)果比較。從計算結(jié)果可以看出,單獨計算和聯(lián)合計算都存在局部的應(yīng)力集中,這是邊界條件的施加方法和局部網(wǎng)格劃分不連續(xù)導(dǎo)致的,聯(lián)合計算結(jié)果明顯小于單獨計算結(jié)果,特別對于飛逸工況,單獨計算往往會在轉(zhuǎn)輪體大樞軸孔的靠近下游側(cè)存在明顯的局部高應(yīng)力;當(dāng)采用聯(lián)合計算分析時,得出轉(zhuǎn)輪體的應(yīng)力分布變化比較平緩,無明顯的局部應(yīng)力集中。
在計算轉(zhuǎn)輪體應(yīng)力時,需要考核正常工況和飛逸工況。
孔間壁最弱斷面由于樞軸內(nèi)支反力F1產(chǎn)生的彎矩為[2]
孔間壁最弱斷面由于樞軸外支反力F2產(chǎn)生的彎矩為[3]
葉片系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時的離心力為
孔間壁最弱斷面由于葉片系統(tǒng)離心力產(chǎn)生的彎矩為
轉(zhuǎn)輪體的平均彎曲應(yīng)力為 δmax=δF1+δF2+δC=24.32 MPa。
葉片系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時的離心力為
表1 轉(zhuǎn)輪體單獨計算和聯(lián)合受力分析計算結(jié)果比較
在飛逸工況下,轉(zhuǎn)輪葉片受到水壓力對轉(zhuǎn)輪體應(yīng)力影響很小,可以忽略不計,轉(zhuǎn)輪體只受到葉片的離心力作用,所以葉片離心力作用帶來的彎曲應(yīng)力為
從解析計算的結(jié)果可以看出,解析法計算出的轉(zhuǎn)輪體的平均彎曲應(yīng)力和聯(lián)合受力分析的平均應(yīng)力比較接近。
有限元計算分析和轉(zhuǎn)輪體彎曲應(yīng)力的解析計算結(jié)果表明,在貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體進(jìn)行剛強(qiáng)度性能分析時,飛逸工況是最危險的工況。聯(lián)合受力分析計算結(jié)果明顯小于單獨計算結(jié)果,應(yīng)力分布比較均勻,在飛逸工況出現(xiàn)高應(yīng)力點比較相近,無明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象,說明聯(lián)合計算分析通過各部件之間的接觸模擬,能真實反映轉(zhuǎn)輪體在實際運行中的應(yīng)力變化情況。
[1]哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1976.
[2]格.斯.皮薩連柯.材料力學(xué)手冊[M].石家莊:河北人民出版社,1985.
[3]陶紅,姜劍鋒.大中型燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡介[J].電站系統(tǒng)工程,2003(9).