三維有限元分析在彭水水電站上擋風板改造中的應用

伏虹潤

（大唐國際發(fā)電股份有限公司重慶分公司，重慶401121）

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三維有限元分析在彭水水電站上擋風板改造中的應用

伏虹潤

（大唐國際發(fā)電股份有限公司重慶分公司，重慶401121）

隨著計算機技術的高速發(fā)展,三維實體建模與有限元分析的功能越來越強,應用領域也越來越廣。結合彭水水電站上擋風板改造實例，介紹了三維有限元分析在發(fā)電企業(yè)設備故障分析、治理領域的應用。

三維有限元；擋風板；應用

1　概述

1.1基本情況

彭水水電站位于烏江干流下游,電站共安裝5臺單機容量350MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量1 750MW。發(fā)電機的冷卻方式設計為密閉循環(huán)通風冷卻，轉子為斜支臂結構，當轉子轉動時，空氣由轉子支架的上部被吸入，在離心力作用下，由安裝在磁軛上的通風道吹向定子鐵心和線圈。在發(fā)電機的定、轉子上、下方裝有水平和豎向立擋風板，構成密閉空間，經(jīng)過定子上、下端部的熱風與經(jīng)過定子鐵心和線圈的熱風均進入空氣冷卻器，冷卻后的空氣經(jīng)過上風道再進入到轉子的上部，空氣被吸入后形成密閉循環(huán)。

發(fā)電機上部豎向立擋風板共有4圈，各由28塊弧形獨立擋風板拼接而成，整體呈圓筒形，如圖1。立擋風板通過螺栓固定于水平弧形橫梁上，弧形橫梁截面為倒“T”形，橫梁兩端通過螺栓固定于上機架支臂下翼緣，上機架支臂數(shù)為14，橫梁數(shù)14，每根橫梁上固定兩塊擋風板，擋風板之間采用螺栓連接。

立擋風板為懸臂固定方式，如圖2。內(nèi)圈立擋風板高度最大，更靠近機組軸線，離上機架與定子機座頂部的固定點更遠。

圖1　立擋風板水平分布

圖2　發(fā)電機上部立擋風板

1.2問題介紹

彭水水電站機組投運后不久，出現(xiàn)了發(fā)電機上部內(nèi)圈立擋風板固定螺栓大量斷裂的問題，嚴重影響到機組安全。

2009年9月檢查發(fā)現(xiàn)，1號機組上部內(nèi)圈立擋風板固定螺栓有23顆斷裂、2顆滑絲，2號~5號機組也有不同數(shù)量的螺栓斷裂、滑絲，隨即對損壞的螺栓進行了更換；2010年5月檢查發(fā)現(xiàn)，1號機組內(nèi)圈上擋風板固定螺栓有80顆斷裂，5號機組有22顆斷裂。由于當時正值主汛期，為確保機組安全度汛，對5臺機組擋風板均采取了臨時加固措施，即每塊擋風板用2~3塊角鋼與弧形固定橫梁直接焊接，兩塊擋風板合縫處用扁鋼施焊連接；2010年8月~2011年元月的歷次檢查中發(fā)現(xiàn)，5臺機組上部內(nèi)圈立擋風板均出現(xiàn)了不同程度的裂紋和個別螺栓斷裂情況，其中，1號機組在2010年8月檢查中發(fā)現(xiàn)裂紋30處，2010年9月檢查中發(fā)現(xiàn)裂紋10處及兩顆固定螺栓斷裂，2010年10月檢查發(fā)現(xiàn)裂紋10處，裂紋多位于立擋風板下部以及兩塊擋風板合縫處。

除上部內(nèi)圈立擋風板外，其他外側3圈立擋風板工作正常，在各次檢查中未發(fā)現(xiàn)異常。

2　三維有限元自振特性計算

三維有限元自振特性計算可以得出結構振動的固有頻率和結構振型，而結構的自振特性可以反映結構受到外部激振力作用后的振動情況。為尋求擋風板固定螺栓斷裂的原因，為后續(xù)現(xiàn)場試驗研究和問題分析處理提供依據(jù)，彭水水電站組織對發(fā)電機上部內(nèi)圈立擋風板進行三維有限元自振特性計算。

2.1模型設計

2.1.1擋風板模型

發(fā)電機上部立擋風板共有4圈，其中內(nèi)圈立擋風板高度最大，更靠近機組軸線，離上機架斜支臂在定子機座頂部的固定點更遠。內(nèi)圈立擋風板，由28塊獨立的擋風板拼接而成，其高H=1 278mm，水平半徑R=6 876mm，面板厚d=3mm，材料為Q235-A。

建立擋風板三維有限元模型時，立擋風板各部件采用殼單元模擬，單元數(shù)3 528，內(nèi)圈立擋風板三維有限元單塊模型圖見3，整體模型如圖見4。

圖3　單塊擋風板模型

圖4　立擋風板三維有限元模型

圖5　上機架及內(nèi)圈立擋風板固定橫梁有限元模型

2.1.2上機架模型

立擋風板通過螺栓固定于水平弧形橫梁上，弧形橫梁截面為倒“T”形，底部有斷面為矩形、水平面上呈弧形的加強鋼條，鋼條上每隔一定距離有M12的內(nèi)螺紋用來固定擋風板。弧形橫梁兩端通過螺栓固定于上機架斜支臂下翼緣，上機架支臂數(shù)為14，橫梁數(shù)14，每根橫梁上固定兩塊擋風板，相鄰擋風板之間采用螺栓連接。

上機架為斜支臂結構，中心體高度H=1400mm，中心體內(nèi)切圓半徑R=3000mm，斜支臂長L=7000mm，支臂上翼緣厚度為30mm，下翼緣厚度為20mm，腹板厚度8mm。

建立三維有限元模型時，上機架及弧形橫梁采用殼單元模擬，單元數(shù)13 188，上機架及弧形橫梁三維有限元模型如圖5。

2.2計算條件

進行立擋風板自振特性計算時，立擋風板頂部固定端面采用豎向、徑向和切向位移約束及切向轉動約束。在實際結構中支臂在風罩固定處采用了剪切銷結構，因此上機架及固定梁計算時，此處采用徑向和切向約束，斜支臂在定子機座頂部的固定點采用豎直向及切向約束。有限元模型采用的材料參數(shù)見表1。

表1　三維有限元計算材料參數(shù)

表2　立擋風板自振頻率

表3　上機架自振特性結果

2.3計算結果

2.3.1立擋風板計算結果

立擋風板自振頻率見表2，部分振型見圖6。

立擋風板自振頻率計算結果表明，其振型以底部波浪形變化為主，頻率不同其波數(shù)有差異：自振頻率越高，立擋風板下擺處的“波浪”數(shù)越多，“波長”變短，立擋風板底部“裙擺效應”明顯，自振頻率低。

擋風板固定螺栓是穿過上端面圓孔后通過螺紋固定于弧形橫梁，螺桿與擋風板上端面的圓孔內(nèi)壁之間有1mm間隙，在擋風板上端面與固定梁之間夾有一層羊毛氈，擋風板的這種固定型式，致使“裙擺效應”能對固定螺栓產(chǎn)生受彎、受拉作用，作用的大小與擋風板的剛度及底部“裙擺”的幅度有關。

2.3.2上機架及固定梁計算結果

上機架及固定梁自振頻率見表3，部分振型見圖6。

圖6　立擋風板、上機架及固定梁振型圖

上機架的振型以支臂的切向位移為主，上機架支臂的切向位移引發(fā)了擋風板固定梁徑向彎曲變形，由于擋風板頂部固定端面厚度達到10mm，其抵抗水平向變形的能力較強，這會導致兩個接觸面發(fā)生相對位移，對固定螺栓產(chǎn)生“剪刀效應”，對螺栓產(chǎn)生較大的剪切力，引發(fā)螺桿受損。

2.4原因分析

通過三維有限元計算，擋風板固定螺栓斷裂原因為：

（1）立擋風板自振頻率低，基頻為6.6 Hz，其振型主要以底部的“裙擺效應”為主，頻率越高，底部“裙擺”的波形越密集，波長越短。

（2）立擋風板的固定方式，在立面上為懸臂結構，“裙擺效應”能對固定螺栓產(chǎn)生受彎、受拉作用，作用的大小與擋風板的剛度及底部“裙擺”的幅度有關。

（3）上機架振型以支臂的切向振動為主，基頻為17.05Hz，振型主要以支臂的切向振動為主，越靠近支臂中部振動位移越大，隨著振動頻率增高，振型由以支臂的整體彎曲變形為主，轉變?yōu)橐灾П鄹拱宓那邢颉肮哪ば睘橹鳌o論振動頻率如何，機架相鄰的斜支臂振動步調(diào)不會完全一致，中部總會發(fā)生相對移動。

（4）受上機架斜支臂的擠壓或拉伸作用，相鄰斜支臂相對位移微小的變化就會使擋風板固定梁在水平方向產(chǎn)生較大的彎曲變形，并伴隨有豎直向微小的彎曲變形。擋風板固定梁的水平向彎曲變形，會對固定螺栓的螺桿產(chǎn)生“剪刀效應”，對螺栓產(chǎn)生剪切力，這是螺桿斷裂的重要原因。

3　原型試驗驗證

為驗證三維有限元自振特性計算結果，對立擋風板進行了模態(tài)試驗，對上機架支臂及立擋風板固定橫梁進行了振動響應試驗。試驗結果表明，立擋風板的模態(tài)振型以下端位置的波浪形變形為主；螺栓斷裂與固定梁的高頻剪切作用引起的材料疲勞相關，高頻振動源自于上機架斜支臂的高頻擠壓或拉伸作用，進一步證實了有限元計算結果。

4　改造方案及效果評估

針對螺栓斷裂原因，從改變立擋風板固定螺栓的受力方式著手，彭水水電站實施了改變固定螺栓的受力方式（即將固定螺栓由原來的豎直向轉變?yōu)閺较蛩较?，將固定梁徑向水平振動對螺栓的剪切力轉變?yōu)槔瓑毫Γ黾訌较?、環(huán)向加強筋的改造方案。

為檢驗改造效果，彭水水電站開展了固定梁的三維有限元計算、擋風板現(xiàn)場模態(tài)試驗和固定梁振動響應試驗。通過對比改造前后擋風板及固定梁的有限元計算及現(xiàn)場試驗結果，改造后的固定梁沿弦線方向的剛度增加、中部徑向位移明顯小于改造前，降低了固定螺栓所受剪切力，延長了固定螺栓使用壽命；改造后擋風板的阻尼系數(shù)明顯增大，減小了振動對擋風板本體的影響；改造后的固定梁振動加速度峰值、上機架斜支臂切向振動最大峰值加速度較改造前明顯降低，降低了螺栓所受剪切應力。

改造后的擋風板運行至今未再發(fā)生類似問題，證明改造后的擋風板工作性能有大幅提高，擋風板的改造達到了預期效果，威脅機組安全的螺栓斷裂問題得到有效解決。

5　結語

彭水水電站采用三維有限元計算與現(xiàn)場原型試驗相結合的方式，有效解決了電站運行當中的實際問題，同時也為其他發(fā)電企業(yè)解決發(fā)電設備結構問題提供了新的思路。

TK730.8

B

1672-5387（2016）02-0037-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.011

2015-04-30

伏虹潤（1981-），男，工程師，從事水電站生產(chǎn)及技術管理工作。