抽水蓄能電站尾水事故閘門(mén)靜動(dòng)力特性研究

黃峻，謝智雄

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635;2.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022)

1 閘門(mén)概況

圖1 閘門(mén)結(jié)構(gòu)

本文應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)某抽水蓄能電站尾水事故閘門(mén)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值分析研究，計(jì)算并分析節(jié)間2種連接形式下的定輪反力、應(yīng)力、位移、屈曲失穩(wěn)、自振頻率及振型特性。

2 計(jì)算方案

為了便于表達(dá)，對(duì)閘門(mén)結(jié)構(gòu)各部分進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。閘門(mén)結(jié)構(gòu)為空間薄壁結(jié)構(gòu)，采用shell63號(hào)板單元來(lái)進(jìn)行模擬，閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元模型如圖3所示。

圖2 閘門(mén)結(jié)構(gòu)各部件編號(hào)

選取閘門(mén)閉門(mén)擋水工況，此時(shí)閘門(mén)受水頭119 m的靜水壓力作用。考慮閘門(mén)自重，按節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種形式來(lái)計(jì)算分析閘門(mén)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性。

圖3 閘門(mén)結(jié)構(gòu)有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 定輪反力計(jì)算結(jié)果及分析

閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下定輪反力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，由表1可以看出:

(1)節(jié)間邊柱斷開(kāi)形式下定輪最大反力為2563.1 kN，發(fā)生在定輪1處;節(jié)間邊柱連續(xù)形式下定輪最大反力為2777.1 kN，發(fā)生在定輪1處。2種形式下各定輪反力相差不超過(guò)10%。

(2)節(jié)間邊柱斷開(kāi)與節(jié)間邊柱連續(xù)相比，輪1、輪4的反力有所減小，輪2、輪3的反力有所增大，節(jié)間邊柱斷開(kāi)形式下各定輪反力的均勻性優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。

(3)從定輪最大反力及各定輪反力的均勻性來(lái)看，節(jié)間邊柱斷開(kāi)形式優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。

試驗(yàn)采用間比法排列，不設(shè)重復(fù)，每4－5個(gè)品種設(shè)一個(gè)對(duì)照，同一排首、末小區(qū)必須是對(duì)照品種，8行區(qū)，面積不少于200平方米，試驗(yàn)周邊設(shè)不少于4行的保護(hù)區(qū)。測(cè)產(chǎn)時(shí)收獲全部果穗，風(fēng)干脫粒后稱(chēng)籽粒重量，測(cè)含水量，折成14%水分計(jì)產(chǎn)，產(chǎn)量比較時(shí)以參試品種與兩個(gè)相鄰對(duì)照的平均值比較，計(jì)算增（減）產(chǎn)百分率。

表1 定輪反力計(jì)算結(jié)果

3.2 位移計(jì)算結(jié)果及分析

閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)整體及各部件的位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，從表2可以看出:

(1)閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)各部件順河向位移基本相同。

(2)2種連接形式下，順河向最大位移均發(fā)生在面板梁格2跨1中部，其值約為5.0 mm。

(3)主梁撓度為4.2mm，小于許用變形(5.6mm)，滿足剛度要求。

表2 閘門(mén)各部件結(jié)構(gòu)順河向位移計(jì)算結(jié)果

3.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)各部件的最大折算應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，由表3可以看出:

(1)閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)各部件應(yīng)力基本相同。

(2)2種連接形式下閘門(mén)結(jié)構(gòu)最大折算應(yīng)力均發(fā)生在面板部件上，其值約為212 MPa，略超過(guò)材料許用應(yīng)力(205 MPa)，可滿足強(qiáng)度要求。

表3 閘門(mén)各部件結(jié)構(gòu)最大折算應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.4 屈曲失穩(wěn)計(jì)算結(jié)果及分析

閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)前5階屈曲失穩(wěn)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，從表4可以看出:

(1)閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)前5階失穩(wěn)形式均表現(xiàn)為閘門(mén)結(jié)構(gòu)各板件的局部失穩(wěn)。

(2)節(jié)間邊柱斷開(kāi)情況下，門(mén)背板的穩(wěn)定系數(shù)為39.466，略大于節(jié)間邊柱連續(xù)情況下的37.427。

(3)2種連接形式下主梁1腹板的穩(wěn)定系數(shù)基本相同，可見(jiàn)，閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)或連續(xù)對(duì)主梁腹板的穩(wěn)定性沒(méi)有影響。

(4)2種連接形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生失穩(wěn)的部件為門(mén)背板的局部失穩(wěn)，其穩(wěn)定系數(shù)最小為37.427，閘門(mén)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 閘門(mén)結(jié)構(gòu)屈曲失穩(wěn)計(jì)算結(jié)果

3.5 自振特性計(jì)算結(jié)果及分析

閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)前5階自振頻率及振型計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、表6，從計(jì)算結(jié)果可以看出:

(1)閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)與節(jié)間邊柱連續(xù)相比，各階自振頻率均有所增高，其中，無(wú)水情況下基頻增高15.4%，有水情況下增高12.5%。分析其原因，主要是節(jié)間邊柱連續(xù)的情況下閘門(mén)結(jié)構(gòu)整體剛度有所增大。

(2)閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)有水情況下的基頻為6.044 Hz，約為無(wú)水情況下(33.076 Hz)的 18.3%;節(jié)間邊柱連續(xù)有水情況下的基頻為6.797 Hz，約為無(wú)水情況下(38.178 Hz)的17.8%?？梢?jiàn)，附加水體對(duì)閘門(mén)自振頻率的影響較大，流固耦合效應(yīng)不可忽略。

表5 節(jié)間邊柱斷開(kāi)時(shí)閘門(mén)結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算結(jié)果

表6 節(jié)間邊柱連續(xù)時(shí)閘門(mén)結(jié)構(gòu)自振特性計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)從前述計(jì)算結(jié)果來(lái)看，閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)及節(jié)間邊柱連續(xù)2種連接形式下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)均能滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。

(2)附加水體對(duì)閘門(mén)自振頻率的影響較大，計(jì)算閘門(mén)自振特性時(shí)流固耦合效應(yīng)不可忽略;閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)與節(jié)間邊柱連續(xù)相比，各階自振頻率均有所增大，主要是節(jié)間邊柱連續(xù)的情況下，閘門(mén)結(jié)構(gòu)整體剛度有所增大的緣故。

(3)從輪壓分布的合理性上來(lái)看，閘門(mén)節(jié)間邊柱斷開(kāi)形式優(yōu)于節(jié)間邊柱連續(xù)形式。

［1］謝智雄，孫小峰，譚守林.U形閘門(mén)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性研究［J］.華電技術(shù)，2012，34(5):21 －23.

［2］謝智雄，賀高年，黃峻，等.大跨度平面閘門(mén)的自振特性研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006(6):69－72.

［3］謝智雄，周建方.大型弧形閘門(mén)的自振特性計(jì)算［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)，2006，20(3):25 －28.

［4］謝智雄，周建方.大型弧形閘門(mén)靜力特性有限元分析［J］.水利電力機(jī)械，2006，28(4):21 －24.

［5］謝智雄，周建方.大跨度弧形閘門(mén)的自振特性研究［J］.水利電力機(jī)械，2006，28(5):18 －20，23.

［6］謝智雄，周建方，冷偉.多主梁多定輪平面閘門(mén)定輪載荷計(jì)算研究［J］.水利電力機(jī)械，2006，28

［7］DL/T 5013—1995，水利水電工程鋼閘門(mén)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［8］水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè) 金屬結(jié)構(gòu)(一)［M］.北京:水利電力出版社，1988.

［9］閆蘊(yùn)菁，張瑞杰.ANSYS軟件在水電站弧形閘門(mén)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.華電技術(shù)，2010，32(11):26 －27.

［10］劉永勝，何孟蕓，賈仕開(kāi).草街航電樞紐工程沖沙閘弧形工作閘門(mén)設(shè)計(jì)［J］.華電技術(shù)，2011，33(10):5 －9.

［11］馬曉明，俞漫野，蔣建國(guó)，等.大跨度空間網(wǎng)架金屬閘門(mén)殘余應(yīng)力靜載負(fù)荷時(shí)效試驗(yàn)［J］.華電技術(shù)，2010，32(8):12－14.