中低水头水轮机导叶立面密封计算

李 巍

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

中低水头水轮机导叶立面密封计算

李 巍

（哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

中低水头水轮机的导叶一般比较高，其刚度相对较弱，一般采用橡皮条止水密封装置。但这种装置不十分可靠，运行中橡皮条容易磨损和脱落。如果直接靠金属接触面研合封水，由于非共面的操作力和摩擦力等的共同作用，导叶在全关闭后，其相邻导叶的立面通常会存在一定的间隙。本文应用ANSYS Workbench计算导叶在关闭时的变形情况，并依此修改导叶头部密封面的形状，使其相邻导叶立面完全闭合。

水头；水轮机导叶；刚度；有限元。

0 前言

水轮发电机组停机的时候，水轮机的导水机构必须封水严密，否则不但增加漏水量而且加剧间隙气蚀破坏，导叶关闭后如漏水严重时，有可能造成机组无法停机。为了减少漏水，除了提高导叶加工精度以外，导叶上、下端面与顶盖、底环之间，导叶与导叶之间的间隙应尽可能的小。

对于中、低水头的水轮机，导叶一般比较高，其刚度相对较弱，一般采用橡皮条止水密封装置。但这种装置不十分可靠，运行中橡皮条容易磨损和脱落。为了采用直接靠金属接触面研合封水的方式，其关键是要精确设计导叶头、尾部密封面的尺寸，以实现在操作力、摩擦力和水压力共同作用下相邻导叶密封面的完全接触。

导水机构从开始关闭到全关闭的过程，相邻导叶也由非接触状态到部分接触状态再最后到完全接触状态，其受力状态是非常复杂的。要在如此复杂的条件下计算导叶的变形并依此确定密封面的尺寸是问题的关键。本文利用有限元法对某电站的导叶进行了仿真计算，给出了导叶密封面的精确尺寸以实现相邻导叶立面的完全闭合。

1 基本参数

水轮机导叶在关闭的过程主要承受非共面的操作力和摩擦力，当完全关闭后，还要承受水压力。表 1给出某电站机组与计算相关的主要参数。图1是导叶的简图和主要尺寸。

表1 主要参数

图1 某电站水轮机导叶简图及主要尺寸

2 有限元建模

2.1 模型及边界条件

计算导叶立面密封变形，须考虑相邻导叶之间的接触条件。根据周期对称条件，取导叶在全关闭位置时的1/24为计算模型。导叶枢轴底面假设无摩擦刚性支撑，约束轴向位移；三个导叶枢轴轴承支撑处，约束枢轴外表面的径向位移，并施加摩擦力矩；导叶顶部导叶臂施加操作力；导叶关闭后施加最高水头的水压，如图2所示。有限元模型有438967个实体二次单元，1670791个节点。

图2 导叶计算模型

2.2 计算载荷

计算导叶变形时须分两步加载：第一步在相邻导叶立面有相同间隙的情况下，先施加操作力（矩）和摩擦力矩，这时相邻导叶立面会有接触，第二步再施加水压力。其中为保守起见，操作力取最大操作力的50%。水压力按最高水头计算，加载步骤由程序自动完成。

3 有限元计算和分析

通常设计的导叶瓣体各个横断面的尺寸都是相同的，在非共面的操作力（矩）和摩擦力矩作用下会产生一定的扭转变形。如果变形很小，当相邻导叶接触后，而操作油压达到额定油压时，在操作力（矩）和水压共同作用下仍能有密封作用。对于中低水头水轮机，其导叶比较高，刚度相对较弱，扭转变形较大。本文首先计算导叶从即将关闭到完全关后导叶的变形，如图3所示。从图中可观察到，当导叶到达全关位置后仍有较大间隙，最大间隙为 0.5mm，显然不能满足设计要求。

从计算结果看，由于操作力（矩）和摩擦力矩的作用，在关闭前产生小的扭转变形，使得相邻导叶上面部分先接触在一起。随着操作力的增加，接触面和摩擦力也在增加。当操作力和摩擦力达到平衡状态，相邻导叶下面仍没有接触上或只是刚刚接触，在水压力作用下就会加大两个导叶之间的间隙。根据导叶的受力特点，为了避免导叶上面先接触，需要将导叶头部密封面改成一个斜面，即在原导叶上沿高度方向切出一个上大下小的斜面。斜面的大小取决于导叶的初始扭转变形。通过多次试算，最终确定在导叶头部密封面，从导叶瓣体上端面沿厚度方向减去0.8mm至下端面切一个近似三角形的小斜面。这样在导叶关闭时，相邻导叶的下面部分首先接触，然后在操作油压达到额定油压后导叶立面会完全接触，并且在水压共同作用时仍然保持接触状态。修改后导叶的变形结果如图4所示，全部24个导叶修改后的变形如图5所示，导叶的最大变形在导叶的中部，为1.49mm。

图3 原设计的导叶变形

图4 修改后的导叶变形

图5 全部导叶修改后的变形图

4 结论

利用ANSYS Workbench软件对中、低水头水轮机导叶立面密封进行有限元分析，结果表明通过对导叶尾部密封面进行适当修改，完全可以实现直接靠金属接触面研合的方式封水。

工学学士；1994年毕业于华中理工大学，工学硕士，高级工程师，现从事发电设备结构分析和振动测试研究。

审稿人：卜良峰

Discussion on the Factors Affecting the Calculation of Critical Speed of Hydraulic Generator

LI Wei
（Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China）

The guide vane of the low head turbine is higher generally, so It’s stiffness is relatively weak. Normally used for section rubber seal sealing device. But this device is not reliable because of the rubber easy to wear and loss. If direct research on metal surface to seal, such as operating force and friction of non - coplanar work wicket after all closed, its facade is usually adjacent guide vanes there is a gap. Application of Ansys workbench when calculating the guide vanes at the close of this article deformation, and this modification guide vanes of the head sealing surface shape, completely closed off to the adjacent guide vanes facade.

head; guide vane; stiffness; finite-element

TK730.2

A

1000-3983(2014)03-0074-03

2013-05-20

李巍（1961-），1982年毕业于甘肃工业大学，