水輪機(jī)效率試驗(yàn)用流速儀支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

李 科

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

水輪機(jī)流量測(cè)量是水輪機(jī)現(xiàn)場(chǎng)效率測(cè)試中最重要的環(huán)節(jié)之一，也是測(cè)試中難度最大的一項(xiàng)工作，其對(duì)整個(gè)測(cè)試精度起到重要影響。

水輪機(jī)效率試驗(yàn)對(duì)直徑大于5 m的鋼管內(nèi)流速測(cè)量多采用超聲波測(cè)速，但采用超聲波測(cè)流速時(shí)要求鋼管的直段長(zhǎng)度大于、等于15D(D為鋼管直徑)。蘇布雷水電站壓力鋼管直段長(zhǎng)度僅為2.4D，不滿足要求，因此，需要采用機(jī)械式流速儀測(cè)水流速度。該電站流速儀支架安裝在蝸殼入口處，直徑為7.1 m，理論流速為6.2 m/s，同時(shí)要考慮機(jī)組振動(dòng)的影響。技術(shù)人員采用PKPM鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，確保了試驗(yàn)安全受控。筆者對(duì)計(jì)算采用的參數(shù)、計(jì)算結(jié)果、應(yīng)用優(yōu)化等過程進(jìn)行了總結(jié)，以供同類型工程參考。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

流速儀支架結(jié)構(gòu)見圖1、2，主要桿件為外徑89 mm的不銹鋼管，支架所占迎水面積為2.46 m2，過流斷面為39.94 m2，支架所占過流斷面的比例為0.61%。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程，支架所占過流斷面的比例應(yīng)不大于0.6%，故其超出規(guī)范要求。后來(lái)經(jīng)過對(duì)不銹鋼管進(jìn)行加工(加工為橢圓形)，垂直水流方向?qū)挾葹?0 mm，調(diào)整后的占比為0.34%，滿足規(guī)范要求，同時(shí)改善了受力結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

流速儀支架安裝在蝸殼進(jìn)口段，直徑7 133 mm，支架采用外徑89 mm、壁厚5 mm、材質(zhì)為304不銹鋼熱軋無(wú)縫圓鋼管，將鋼管截面加工成橢圓形，迎水面方向?qū)挾葹?0 mm；局部連接件采用∠70 mm×70 mm×5 mm角鋼；端部封堵板和連接板采用18 mm厚普通鋼板；連接螺栓為直徑20 mm的高強(qiáng)螺栓。

圖1 迎水面布置圖

圖2 支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(單個(gè)半徑下游側(cè)支撐)

由于采用的鋼管材質(zhì)為不銹鋼，坡口不能采用氣割而只能用機(jī)械切割打磨。若采用鋼管與鋼管直接焊接，坡口加工難度大、時(shí)間長(zhǎng),焊接應(yīng)力無(wú)法釋放。項(xiàng)目部結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用垂直切口，端部焊封堵鋼板后再焊接立板，在立板上打孔，采用高強(qiáng)螺栓連接。大部分焊縫可以在加工車間完成，可使施工速度大大加快，即解決了焊接應(yīng)力問題，又滿足了強(qiáng)度要求，而且方便安裝拆卸，可以重復(fù)利用。根據(jù)規(guī)范要求[3]，流速儀測(cè)點(diǎn)位置rn由下式求得：

式中rn為 自圓心至第n號(hào)測(cè)點(diǎn)的距離，m；R為鋼管半徑；N為 除中心點(diǎn)外每個(gè)半徑的測(cè)點(diǎn)數(shù)，取 8。經(jīng)計(jì)算，流速儀的布置位置和間距見圖3。

流速儀的安裝位置、水平度等精度要求高，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試?yán)щy，為提高安裝效率，項(xiàng)目部創(chuàng)新采用整條鋼板，在車間內(nèi)將孔位加工好，現(xiàn)場(chǎng)只需調(diào)整好兩端位置即可將單個(gè)支架的流速儀位置全部確定。

4 荷載錄入及計(jì)算

蝸殼入口位置的鋼管直徑為7 133 mm，試驗(yàn)過程中最大流量預(yù)計(jì)為 262 m3/s，求得水流平均速度v：

v=Q/S= 262/π×7.1332/4 = 6.56(m/s)

水流力F計(jì)算公式：

F=C×ρ×v2×A

式中 常數(shù)C取較大值，1；ρ為水密度，1 000 kg/m3；水流速度v=6.56 m/s；每延米鋼管受力面積A=0.05×1=0.05(m2)。求得F=2.15 kN。因此，在PKPM建模中，迎水面桿件恒載取值為3 kN/m。

由于蝸殼入口位置臨近水輪機(jī)組，在40%～60%的工況下機(jī)組振動(dòng)明顯[4]，在PKPM計(jì)算過程中利用地震作用模擬機(jī)組振動(dòng)，計(jì)算水平與豎向地震作用；地震烈度選9；地震效應(yīng)增大系數(shù)取1.2。PKPM鋼結(jié)構(gòu)支架建模計(jì)算結(jié)果見圖4，支架桿件最大應(yīng)力為174.15 N/mm2，小于設(shè)計(jì)允許應(yīng)力215 N/mm2，因此，該支架經(jīng)計(jì)算其穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求[5]。

5 注意事項(xiàng)

支架主材鋼管為圓管，加工成橢圓形鋼管可以減少水流的沖擊力，減少對(duì)流速儀的影響。但將圓管加工成橢圓形比較麻煩，需提前做好準(zhǔn)備；如要避免加工的麻煩，也可在市場(chǎng)上采購(gòu)其它異形鋼材代替，但必須按照鋼材參數(shù)進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，并需滿足受力要求。

由于水庫(kù)內(nèi)的漂浮物可能對(duì)支架造成沖擊，因此，待試驗(yàn)的機(jī)組在閘門開啟前應(yīng)將上下游水位調(diào)整合格，避免用待試驗(yàn)的機(jī)組調(diào)整水位而耽誤時(shí)間，亦增加了支架被漂浮物沖擊的概率。整個(gè)試驗(yàn)過程應(yīng)連續(xù)，建議試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不超過2 h[6]。

圖3 根據(jù)規(guī)范計(jì)算的流速儀位置圖

說(shuō)明：圖中桿件左側(cè)數(shù)值為鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比，即桿件最大應(yīng)力與設(shè)計(jì)允許應(yīng)力的比值。圖4 鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比圖

機(jī)組在額定功率40%～60%的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)非常明顯，為支架最不利的受力工況，因此，試驗(yàn)過程應(yīng)盡快完成，不應(yīng)在此區(qū)間耽誤太長(zhǎng)時(shí)間。

流速儀的間距和水平度精度要求高，需要采用儀器進(jìn)行檢查，待驗(yàn)收合格后再進(jìn)行布線、拆腳手架，避免造成二次返工。

6 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)得知：蘇布雷水電站1#機(jī)組水輪機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)蝸殼實(shí)施排水并檢查了流速儀支架，支架各處正常，無(wú)變形或裂縫，證明上述建模和受力分析正確且合理，證明支架受水流沖擊力的計(jì)算合理，水力計(jì)算的常數(shù)取值亦合理。在計(jì)算過程中，利用計(jì)算軟件的地震荷載模擬機(jī)組振動(dòng)的方式是可取的。