高水头水轮机底环的刚强度研究

2011-06-03陈光辉庞立军

大电机技术 2011年5期

关键词：筋板水轮机导流

陈光辉，庞立军

（水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

1 前言

高水头水轮机由于运行水头高、压力大，底环的刚强度性能将是设计的难点。水轮机底环如采用下拆方案，则底环不埋入混凝土，和尾水锥管联合受力。如采用埋入混凝土的方案，则由水轮机底环和混凝土联合受力。

本文根据水轮机底环的埋设方式不同，采用单独计算和联合受力分析的方法，对底环的刚强度性能进行了研究。

2 不同结构形式水轮机底环的刚强度性能分析

2.1 埋入式水轮机底环

埋入式水轮机底环下端面直接与混凝土进行接触，底环的辐向筋板埋设在混凝土中。传统的计算方法都是底环单独计算，不考虑混凝土的影响，联合受力分析则取底环、蜗壳座环、混凝土联合造型进行组合计算。有限元计算模型如图1所示。

表1为某电站埋入式水轮机底环单独计算和联合计算结果比较。单独计算时，在导流板与上环板连接处出现局部高应力，这是由于没有考虑混凝土的支撑作用造成的。当采用联合受力分析时，底环的应力分布变化相对比较均匀，并且没有应力集中，联合受力分析底环的应力和变形值比单独计算减小很多。因此，对于埋入式水轮机底环，混凝土对水轮机底环的刚强度性能影响较大，是不能忽略的因素。

图1 埋入式水轮机底环联合受力分析有限元计算模型

表1 埋入式水轮机底环单独计算和联合计算结果比较

2.2 非埋入式水轮机底环

非埋入式水轮机底环多采用上拆或下拆式结构，上拆式结构底环直接固定于座环之上，与座环下端的基础环进行螺栓把合，基础环埋设于混凝土之中。下拆式底环下端面直接与尾水管锥管相连接，尾水管锥管也是可拆卸式结构，外侧无混凝土浇注，因此，底环的刚强度性能直接受到锥管的影响。由于下拆式水轮机底环结构的独特性，刚强度考核应该关注，有限元计算模型如图2所示。

图2 非埋入式底环联合受力分析有限元计算模型

表 2、3分别为上拆式和下拆式水轮机底环单独计算与联合受力分析计算结果比对，从有限元计算结果中可以得出，单独计算时会产生局部高应力，联合受力分析应力分布比较连续，不存在明显的应力集中。对于下拆式结构，正常运行工况为最危险的工况，联合受力分析底环的应力值小于单独计算结果，但是变形值大于单独计算结果。

表2 非埋入上拆式水轮机底环单独计算和联合计算结果比较

表3 非埋入下拆式水轮机底环单独计算和联合计算结果比较

图3 下拆式水轮机底环单独计算和联合受力分析应力比较（正常运行工况）

3 底环结构优化分析

水轮机底环的结构设计直接关系到底环刚强度性能，分别采取改变底环的筋板厚度、导流板厚度、法兰的结构形式进行分析，通过有限元计算结果可以得出，辐向筋板和导流板的厚度对水轮机底环的刚强度性能影响比较明显。随着筋板厚度的增加，底环的应力和变形都有减小的趋势。埋入式水轮机底环的辐向筋板埋设在混凝土中，筋板适当加厚就可以了，但是对于非埋入式水轮机底环，辐向筋板的作用应该受到特别的关注，在设计的过程中适当加厚辐向筋板的厚度，增加辐向筋板的环向布置数量，可以有效地提高底环的刚强度性能。

表4 水轮机底环不同筋板厚度有限元计算结果

水轮机底环的导流板直接受到水压力的冲击，属于易损部件，导流板的尺寸要严格按照转轮的流道尺寸进行设计，底环的最大变形位置通常出现在导流板与环板的搭接位置，导流板的设计形式和设计结构直接影响到底环的整体刚强度性能。特别对非埋入下拆式水轮机底环结构，外侧无混凝土浇注，整个底环完全裸露在外面，导流板的作用就显得更加突出。从表5中所列的有限元计算结果可以得出，随着导流板厚度的增加，底环的最大应力和变形值减小比较明显。

表5 水轮机底环不同导流板厚度的有限元计算结果

法兰结构不同，作用于法兰根部的弯曲应力有很大的区别，表6为不同法兰结构形式的影响。从计算结果中可以得出，双法兰结构的应力和变形值明显小于单法兰结构。双法兰结构可以有效的提高水轮机底环的刚强度性能，建议在底环结构设计中，在相同条件下优先选择双法兰结构。

4 底环动态特性研究

非埋入下拆式水轮机底环的整体结构完全裸露在外面，底环的动态特性对整个机组的振动性能有很大的影响。分别采取底环单独计算和底环与尾水管锥管联合计算的方法进行比对分析，计算模型如图4所示。

表6 底环不同法兰结构形式有限元计算结果

图4 下拆式底环动态特性分析模型

表7 水轮机底环动态特性分析计算结果比对

从有限元计算结果可以得出，联合计算考虑了尾水管锥管部分，整体模型质量增加，刚度性能减弱，自振频率数值比单独计算减小很多，说明考虑尾水管锥管对底环的自振频率影响比较明显。在实际的机组安装中，底环是与尾水管锥管进行把合连接的，锥管下端允许有一定范围的轴向移动，因此，在对底环进行动态特性考核的时候，考虑尾水管锥管的影响是比较准确的。