電站蝸殼座環(huán)剛強(qiáng)度的計(jì)算及分析

李成峰， 陳元林

（1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040；2.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱150040）

1 引 言

在水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，剛強(qiáng)度計(jì)算必不可少，目的是為了檢驗(yàn)蝸殼座環(huán)剛強(qiáng)度是否滿足許用要求。本文以國(guó)外某電站混流式水輪機(jī)埋入部件為例，對(duì)蝸殼座環(huán)的剛強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析。采用了ANSYS 軟件和解析法對(duì)水輪機(jī)蝸殼座環(huán)的剛強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，從而對(duì)水輪機(jī)蝸殼座環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。

2 基本參數(shù)

水輪機(jī)額定出力為56.14MW；機(jī)組中心安裝高程為450.4m；額定水頭Hr=128m；最大水頭Hmax=137.8m；升壓水頭（H＋ΔH）＝178.6m；固定導(dǎo)葉高度b=570mm。

3 蝸殼座環(huán)材料及許用應(yīng)力

該電站水輪機(jī)蝸殼座環(huán)各部件的材料特性及許用應(yīng)力見(jiàn)表1。

用戶提出的許用應(yīng)力是指機(jī)組正常運(yùn)行工況下計(jì)算所得工作平均應(yīng)力的允許值。這里采用有限元法進(jìn)行分析，將得到結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力和應(yīng)力分布，應(yīng)給出不同的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)?？煞忠韵? 種情況進(jìn)行處理。

表1 電站水輪機(jī)蝸殼座環(huán)材料特性及許用應(yīng)力

3.1 對(duì)應(yīng)某截面算得的平均應(yīng)力的許用應(yīng)力選取

座環(huán)的許用應(yīng)力一般按用戶提出的要求以及ASME8-1 標(biāo)準(zhǔn)選取。用戶要求，在設(shè)計(jì)載荷條件下，最大薄膜應(yīng)力應(yīng)小于固定導(dǎo)葉中間剖面的平均應(yīng)力UTS/5。按照美國(guó)ASME 鍋爐與壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，蝸殼設(shè)計(jì)的許用應(yīng)力為：Min（UTS/3.5，2YS/3）。

表2 ASME8-1 許用應(yīng)力和用戶要求的許用應(yīng)力/MPa

3.2 選取由有限元法計(jì)算得到的局部應(yīng)力的許用應(yīng)力

按照有限元法計(jì)算得出的局部應(yīng)力，以及ASME 的分析應(yīng)力準(zhǔn)則，將應(yīng)力分類(lèi)如下：初次薄膜應(yīng)力Pm，初次局部應(yīng)力（不連續(xù)但沒(méi)有應(yīng)力集中）PL，初次彎曲應(yīng)力Pb，二次薄膜應(yīng)力+不連續(xù)的彎曲應(yīng)力Q，設(shè)計(jì)的參考應(yīng)力為

不同應(yīng)力的許用應(yīng)力定義為Pm＜Sm，PL+Pb＜1.5Sm，PL+Pb＋Q＜3Sm。

在特殊工況下（打壓試驗(yàn)條件下），蝸殼的許用應(yīng)力取為：Pm＜0.9σs，Pm＋Ps＜1.35σs。

ASME 許用應(yīng)力和用戶文件中的平均應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 ASME 標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力及標(biāo)書(shū)中要求的平均應(yīng)力/MPa

對(duì)于地震這種極端工況下的許用應(yīng)力，各應(yīng)力相應(yīng)放大1.33 倍。

4 蝸殼座環(huán)剛強(qiáng)度計(jì)算分析

4.1 解析法計(jì)算

解析法計(jì)算將得到蝸殼座環(huán)各部件的平均應(yīng)力，解析法計(jì)算時(shí)，選用初次薄膜應(yīng)力（平均應(yīng)力）為考核依據(jù)。計(jì)算采用程序Probac.xls 完成。

（1）載荷。本次解析法計(jì)算考慮了水輪機(jī)在升壓工況下的情形。該工況下，蝸殼受到的水壓力為：

其中，H＋ΔH 為升壓水頭。

頂蓋對(duì)座環(huán)向上的總拉力F＝2910000N。

（2）計(jì)算結(jié)果

此蝸殼結(jié)構(gòu)從第0 節(jié)到20 節(jié)為圓形蝸殼所計(jì)算的結(jié)果，因此使用解析法進(jìn)行計(jì)算，從表4 計(jì)算結(jié)果中可以看出，該電站蝸殼座環(huán)剛強(qiáng)度滿足材料許用應(yīng)力要求。

表4 升壓水頭工況下解析法計(jì)算結(jié)果

4.2 有限元法計(jì)算

（1）計(jì)算模型及邊界條件。根據(jù)蝸殼座環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，蝸殼進(jìn)口段（第1 斷面）的應(yīng)力最大，以該扇形區(qū)域?yàn)橛?jì)算對(duì)象，不考慮混凝土聯(lián)合受力的影響。選取包含具有1 個(gè)完整固定導(dǎo)葉在內(nèi)的360°/24 扇形區(qū)域?yàn)榉治瞿Ｐ?。全部采用SOLID95 單元和SOLID92 單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，共劃分25621 個(gè)單元，86241 個(gè)節(jié)點(diǎn)。在切開(kāi)斷面處，施加周期對(duì)稱(chēng)邊界條件。在座環(huán)基礎(chǔ)把合螺栓分布圓處，約束相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的所有自由度。

（2）計(jì)算工況及載荷。蝸殼座環(huán)的計(jì)算載荷不考慮機(jī)組重力、混凝土重力、蝸殼及水體的重力。表5 給出了該電站水輪機(jī)蝸殼座環(huán)的計(jì)算工況和載荷。

表5 蝸殼座環(huán)計(jì)算工況及載荷及各部件的最大應(yīng)力和變形

（3）計(jì)算結(jié)果及分析。蝸殼座環(huán)的有限元分析，重點(diǎn)檢查蝸殼本體、固定導(dǎo)葉等的平均應(yīng)力和局部應(yīng)力，表5 列出了蝸殼座環(huán)各板件的最大應(yīng)力、平均應(yīng)力及總變形。

上述計(jì)算結(jié)果是通過(guò)有限元得到的各部件的局部應(yīng)力，滿足ASME 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用應(yīng)力要求。

5 結(jié) 論

通過(guò)以上解析法和有限元分析計(jì)算表明，此電站蝸殼座環(huán)剛強(qiáng)度滿足許用要求。