基于ANSYS的水電機(jī)組結(jié)構(gòu)特性分析

孫鏑涵，羅南華，王丁一，孫照宇

（1.長(zhǎng)春工程學(xué)院能源動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130000；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118000；3.太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000）

0 引言

目前，我國(guó)水電事業(yè)發(fā)展穩(wěn)健增長(zhǎng)。2020年3月22日為止，我國(guó)在運(yùn)抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模達(dá)到3 179萬(wàn)kW，預(yù)期到2025年，在運(yùn)裝機(jī)總規(guī)模將達(dá)到6 200萬(wàn)kW。抽水蓄能電站具有啟動(dòng)迅速，運(yùn)行靈活的優(yōu)點(diǎn)，可承擔(dān)調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等多種任務(wù)。但因?yàn)槠錂C(jī)組運(yùn)行工況復(fù)雜、啟停頻繁，比常規(guī)機(jī)組更易發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題。劇烈振動(dòng)能對(duì)機(jī)組的結(jié)構(gòu)造成破壞，降低使用壽命，大大降低機(jī)組運(yùn)行效率和機(jī)組出力[1]。同時(shí)還會(huì)影響各種儀器儀表的正常運(yùn)行和使用，甚至危害操作人員的身體健康[2]。所以在設(shè)計(jì)及改造過(guò)程中必須分析機(jī)組結(jié)構(gòu)特性，以便為機(jī)組的振動(dòng)分析和提前預(yù)防提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

下機(jī)架和頂蓋是機(jī)組的重要部件，在傘式機(jī)組中下機(jī)架是整個(gè)機(jī)組的主要承重部件，下機(jī)架足夠的剛強(qiáng)度是機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵。頂蓋是水輪機(jī)的重要過(guò)流部件和承重部件，其特性會(huì)直接影響水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)某抽水蓄能電站的下機(jī)架和頂蓋進(jìn)行建模，再利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度，復(fù)核結(jié)構(gòu)的固有頻率，并與常見(jiàn)的激振頻率相比較，為機(jī)組振動(dòng)分析研究提供了重要的基礎(chǔ)。

1 某電站基本參數(shù)

某抽水蓄能電站的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如表1、表2所示。

表1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

表2 水輪機(jī)主要參數(shù)

本文進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時(shí)考慮了下機(jī)架和頂蓋實(shí)際的承重情況，所承重的部件重量見(jiàn)表3。

表3 相關(guān)部件重量

立筋是下機(jī)架中主要承重部件，材料為16MnR，其材料特性見(jiàn)表4。

表4 立筋材料特性

水輪機(jī)頂蓋材料主要為16Mn，其材料特性見(jiàn)表5。

表5 頂蓋材料特性

2 有限元建模

下機(jī)架和頂蓋均為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。下機(jī)架為承重機(jī)架，主要由徑向支臂和中心體構(gòu)成，支臂末端的基礎(chǔ)板和支撐板分別于基礎(chǔ)軸向和徑向把合。頂蓋主要由上面板、下面板、徑向筋板構(gòu)成，頂蓋法蘭于座環(huán)上環(huán)向把合，一起構(gòu)成導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的一部分。下機(jī)架和頂蓋的圖紙如圖1所示。

圖1 下機(jī)架、頂蓋圖紙

本文采用的有限元建模方案是先使用SolidWorks軟件進(jìn)行幾何模型的建立，再將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，設(shè)置網(wǎng)格與邊界條件完成有限元模型的建立。有限元建?？梢杂糜邢薜摹⑾嗷リP(guān)聯(lián)的單元模擬無(wú)限的復(fù)雜體，無(wú)論多么復(fù)雜的幾何體都能用相應(yīng)的單元簡(jiǎn)化，從而建模分析計(jì)算出結(jié)果。

2.1 幾何模型建立

模型建立采用先對(duì)下機(jī)架和轉(zhuǎn)輪部分建模，再運(yùn)用鏡像功能生成整體模型的方案。由于部件的厚度較寬、剛度較大，均采用solid實(shí)體單元進(jìn)行建模。在建模過(guò)程中，忽略一些對(duì)仿真結(jié)果影響很小的結(jié)構(gòu)，如螺栓孔、墊圈、薄板等。建模完成后，依照實(shí)際機(jī)組結(jié)構(gòu)將部分分塊的模型組合成多體零件，保證結(jié)構(gòu)的完整性。下機(jī)架和頂蓋的模型如圖2所示。

圖2 下機(jī)架、頂蓋模型圖

2.2 網(wǎng)格劃分

在全局網(wǎng)格設(shè)置中將網(wǎng)格分辨率設(shè)為5，先進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，再對(duì)網(wǎng)格較稀疏部分采用局部網(wǎng)格進(jìn)行加密。對(duì)于形狀較為規(guī)整的部件采用掃掠網(wǎng)格畫(huà)法，對(duì)形狀不規(guī)整的部件進(jìn)行分塊處理，再采用多區(qū)網(wǎng)格畫(huà)法。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整使網(wǎng)格的正交質(zhì)量達(dá)到0.8以上，可以較為準(zhǔn)確的模擬實(shí)際情況。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)見(jiàn)表6。

表6 節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)

下機(jī)架和頂蓋網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 下機(jī)架、頂蓋網(wǎng)格模型圖

2.3 邊界條件

2.3.1 靜力分析邊界條件

森林撫育即在造林后到郁閉期開(kāi)展的多項(xiàng)林木撫育管理工作，致力于為幼木創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，最大限度為之提供適宜的光照條件、溫度條件、水分、養(yǎng)分等，提升幼木成活率。森林撫育管理工作具體包括土壤管理、林木管理、幼木保護(hù)等多項(xiàng)工作。

對(duì)下機(jī)架支臂的螺栓孔施加固定約束，對(duì)支臂與徑向基礎(chǔ)連接處施加僅壓縮約束，以上約束模擬下機(jī)架與基礎(chǔ)的連接狀態(tài)。對(duì)頂蓋底部螺栓孔施加固定約束，模擬頂蓋和座環(huán)的把合狀態(tài)。

在軸向，下機(jī)架主要承受制動(dòng)器、下導(dǎo)軸承、推力軸承、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重力和水推力，對(duì)于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重力和水推力用推力軸承的推力負(fù)荷作為代替。頂蓋主要承受控制環(huán)、活動(dòng)導(dǎo)葉、水導(dǎo)軸承、主軸密封的重力和水壓力。以上所受到的力均以力載荷的形式模擬實(shí)際情況。

在徑向，下機(jī)架受到導(dǎo)軸承的作用力，頂蓋受到水導(dǎo)軸承的作用力。以上所受到的力均以軸承載荷的形式模擬實(shí)際情況。

2.3.2 模態(tài)分析邊界條件

模態(tài)分析與外界載荷無(wú)關(guān)，所以只保留靜力分析中的固定約束和僅壓縮約束，其余邊界條件均抑制。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 靜力分析

靜力分析可以檢驗(yàn)在額定工況的多種載荷下下機(jī)架和頂蓋的應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)變形情況，將分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值做對(duì)比，判斷結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度。二者的強(qiáng)度將直接決定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生破壞，從而影響機(jī)組的安全運(yùn)行；而剛度會(huì)直接影響整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)以及主軸的擺度，進(jìn)而影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。對(duì)下機(jī)架和頂蓋進(jìn)行靜力分析，得到等效應(yīng)力分布和結(jié)構(gòu)變形情況，如圖4所示，應(yīng)力大小和變形程度如圖中左側(cè)圖例所示，紅色代表應(yīng)力最大處或變形最劇烈處，藍(lán)色代表應(yīng)力或變形最小處。

圖4 應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)變形圖

由圖4可知：

（2）下機(jī)架的最大變形位于上圓板邊部，具體數(shù)值為0.59 mm，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求承重機(jī)架最大變形不超過(guò)1 mm，所以下機(jī)架滿足剛度設(shè)計(jì)要求。頂蓋的最大變形位于底部圓環(huán)處，具體數(shù)值為0.44 mm。由經(jīng)驗(yàn)公式可得出頂蓋最大變形一般不超過(guò)0.2D/1 000=1.082 mm[4]，D為導(dǎo)葉分布直徑。分析結(jié)果明顯符合要求，頂蓋滿足剛度設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比兩個(gè)部件，下機(jī)架作為主要載重部件的數(shù)值明顯大于頂蓋，符合實(shí)際情況。

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是用來(lái)確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一種方法，從而判斷結(jié)構(gòu)在常見(jiàn)激勵(lì)下是否發(fā)生共振。對(duì)下機(jī)架和頂蓋進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階的固有頻率、振型和頂蓋節(jié)徑數(shù)。下機(jī)架的固有頻率見(jiàn)表7，頂蓋的固有頻率和節(jié)徑數(shù)見(jiàn)表8。

表7 下機(jī)架固有頻率

表8 頂蓋固有頻率及節(jié)徑數(shù)

下機(jī)架和頂蓋的振型如圖5、圖6所示，其中紅色為結(jié)構(gòu)變形最劇烈的區(qū)域。

圖5 下機(jī)架振型圖

圖6 頂蓋振型圖

下機(jī)架的固有頻率應(yīng)避開(kāi)轉(zhuǎn)頻及其倍頻，特別是推力瓦數(shù)和發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)的倍頻，即12倍和9倍頻，其計(jì)算公式為：

式中：n額為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速。12倍頻和9倍頻分別為 66.6 Hz、49.95 Hz。

還應(yīng)避開(kāi)極頻及其倍頻，極頻為50 Hz，其倍頻選擇為100 Hz和150 Hz?？梢?jiàn)下機(jī)架的固有頻率均避開(kāi)多組激振頻率，且避開(kāi)范圍大于10%，不會(huì)引起下機(jī)架共振。

頂蓋的固有頻率應(yīng)避開(kāi)轉(zhuǎn)輪葉片個(gè)數(shù)與轉(zhuǎn)頻乘積，其計(jì)算公式為：

式中：n額為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，Zr為轉(zhuǎn)輪葉片個(gè)數(shù)。

還應(yīng)避開(kāi)動(dòng)靜干涉引起的激振頻率，其計(jì)算公式為：

式中：n為導(dǎo)葉通過(guò)頻率諧波階次，m為葉片通過(guò)下諧波階次，Zg為活動(dòng)導(dǎo)葉個(gè)數(shù)，k為節(jié)徑數(shù)。由表8可知前6階出現(xiàn)的節(jié)徑數(shù)，當(dāng)節(jié)徑數(shù)為1時(shí)，n=4，m=9，引起的激振頻率為450 Hz；當(dāng)節(jié)徑數(shù)為2時(shí)，n=1，m=2，引起的激振頻率為100 Hz?？梢钥闯鲰斏w的固有頻率均避開(kāi)了兩種激振頻率，且避開(kāi)范圍大于10%，不會(huì)引發(fā)頂蓋共振[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ANSYS軟件，對(duì)某抽水蓄能電站的下機(jī)架和頂蓋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特性分析，由靜力分析結(jié)果可知等效應(yīng)力和最大變形都小于標(biāo)準(zhǔn)值，所以結(jié)構(gòu)具有良好的剛強(qiáng)度；由模態(tài)分析結(jié)果可知前6階固有頻率均避開(kāi)了主要激振頻率，所以主要激振力不會(huì)引發(fā)整個(gè)機(jī)組共振。由此可得出結(jié)論：下機(jī)架和頂蓋具有良好的結(jié)構(gòu)特性。