轴伸贯流式水轮发电机组关键部件动力特性分析

徐 超，龙 洋，耿东山，廖红华，袁海林，李绍武

(1.湖北民族学院科技学院，湖北恩施445000；2.湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000)

轴伸贯流式水轮发电机组关键部件动力特性分析

徐 超1，龙 洋1，耿东山2，廖红华2，袁海林2，李绍武1

(1.湖北民族学院科技学院，湖北恩施445000；2.湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000)

针对轴伸贯流式水轮发电机组的运行特性，为保障机组运行的安全，采用ANSYS对机组关键部件进行了动力特性分析.整个分析过程充分模拟了整体和局部的受力特性，且具有比较高的计算精度.最后的分析表明，此发电机组成结构达到了预期的设计要求.相比于传统计算方法，工作效率得到了显著提高，节约了工程项目的设计时间，其精度也更能满足要求.为相关轴伸贯流式发电机组结构的优化提供了相关研究方法.

水轮发电机组；有限元；动力特性；ANSYS

随着我国轴伸贯流式水轮发电机组制造技术的不断改进，在兼顾机组发电经济效益的同时，机组能否安全稳定运行愈发受到生产厂家及发电企业的重视[1].特别是针对贯流式机组，在不同工况下运行时，机组主轴和整体流道的动力特性，是机组能否安全稳定运行的关键因素.所以此种类型的水轮机组主轴、流道以及推力轴承的结构优化是机组能否安全运行的关键技术[2－3].再按照传统的设计方法，仅靠人工经验和简单模仿早已不能满足现代工程项目其设计要求.

基于ANSYS软件平台的有限元分析方法，首先根据实际机组物理结构将其模型离散化，即把机组结构体通过离散的方法划分为有限个单元，然后利用ANSYS软件提供的算法对有限个离散单元进行分析，最后将所得出的近似但满足设计精度的分析结果替代实际组合体的物理特性，验证了机组动力特性符合工程要求[3].

表1 发电机组基本参数Tab.1 Basic parameters of hydroelectric generating set

1 水轮发电机组轴系的分析计算

1.1 机组轴系的基本参数

某轴伸贯流式机组轴系具体参数如表1所示.

1.2 机组轴系模型的建立与动力特性分析

针对轴伸贯流式水轮机组的特点[4]，在ANSYS建模的过程中，结合机组轴系结构和发电机转子的动力学特点，需要对整个机组结构做如下的处理[5].

首先，根据机组主轴旋转时的物理特性，其作为一个轴承转子系统，振动形式多样化，其中转轴的挠度计算较为复杂，是当前轴系动力特性分析的主要对象.为了模拟机组轴系的实际质量和转动惯量，现将与主轴直接相连的电机和叶轮等效成为一个包裹在主轴上的空心圆筒，并在叶轮的中心位置施加一个集中质点.考虑到转轮在运行过程状态，要根据实际受力特点建立一个不但反映轴系实际力学特性、又便于分析的力学模型，同样用集中质点的形式施加在叶轮的中心位置，来模拟附着的水体.

然后，根据发电机主轴轴段直径的特点，将其简化为一个截面变化的阶梯状的空心旋转轴系[6].最后对机组的导轴承做弹性处理，将其模拟成一定刚度系数的弹簧[7].用梁单元模拟轴系的叶轮和电机的简化模型，用线性弹簧单元模拟轴承部分，用梁单元模拟轴系本体[8－9].材料的弹性模量E＝2.1×1011N/m2，密度＝7850kg/m3，泊松比μ＝0.3.最终建立主轴模型如图1所示.

按照表1中的参数，在叶轮和电机中心位置分别设置集中质量单元[10].用来模拟机组三个导轴承部分的弹簧单元，只考虑沿着弹簧方向的传导力.并在轴的水平和垂直方向分别设置两个一维弹簧单元，对于不同截面积的梁单元要根据具体图纸参数设置不同的截面参数[11].最后选择合适的解算方法进行计算，机组轴系的挠度分布和应力分布分别如图2、3所示.

根据图2、3所示的计算结果，机组的轴系最大挠度1.870mm，发电机的中心挠度0.390 mm，机组转轮中心的挠度1.100 mm，静止状态下轴系的最大弯曲应力为13.70MPa.

图1 主轴的模型Fig.1 Model of the spindle

图2 机组轴系静止状态下的挠度分布Fig.2 Deflection distribution of generator－unit shaft under static statues

图3 机组轴系静止状态下的应力分布Fig.3 Stress distribution of generator－unit shaft under static statues

2 水轮机整体流道流动分析

轴伸贯流式水轮发电机组基本参数如表2所示.

表2 发电机组基本参数Tab.2 Basic parameters of hydroelectric generating set

根据某机组图纸的参数，建立了三维计算模型如图4所示.

结合轴伸贯流式是机组的运行特点，需要对于流道的定常计算条件进行设置.采用压力进口条件，根据水轮机的上游水位给定随深度变化的静压[12]，具体静压分布如图5所示.出口条件采用静压出口条件，即在尾水管出口处，按下游水位给定随深度变化的静压，具体数值分布如图6所示.转轮转速按照表2中的数据设置.

图4 机组全流道三维模型Fig.4 Three－dimensional model ofHydroelectric Generating Set in the whole flow passage

图5 流道的进口压力条件Fig.5 Pressure conditions of inlet flow passage

图6 流道的出口压力条件Fig.6 Pressure conditions of outlet flow passage

计算流场中，流道的壁面采用无滑移边界条件.为了模拟水轮机组中流体的整体流动，采用Reynolds平均N－S方程和不可压缩流体的连续方程.并使用了SST k－ω双方程湍流模型对方程组进行封闭.

额定工况下，机组整体流道流动分析计算结果如图7～10所示.

图7 流道中座环的应力分布Fig.7 Stress distribution of stay ring inflow passage

图8 流道中导叶的应力分布Fig.8 Stress distribution of guide vane in flow passage

图9 流道中桨叶的应力分布Fig.9 tress distribution of blade in flow passage

根据如图10可得出机组转轮的轴向所受的水推力是516 931 N.按飞逸工况下的参数设置同样可计算出飞逸工况下转轮的轴向所受水推力是234354 N.座环、导叶以及桨叶的压力分布都在合理范围之内，机组关键部件的性能参数符合动力特性的要求.

图10 全流道的流线图Fig.10 Streamline figure ofthe whole flow passage

3 结论

1)综合以上的分析数据，可以发现机组的轴系、发电机中心、机组转轮中心的最大挠度分别为1.870、0.390、1.100 mm，都在合理的范围之内.静止状态下轴系的最大弯曲应力为13.70MPa.根据当前提供的荷载大小和施加的约束条件，该轴系的挠度值很小，弯曲应力也是处于非常安全的范围之内.该轴伸贯流式水轮发电机组的轴系动力特性符合设计性能要求.

2)基于ANSYS的机组关键部件动力特性的有限元分析，所涉及的计算过程比较完善的模拟了整体和局部的受力动态特性.最后的分析表明，此发电机组成结构达到了预期的设计要求.相比于传统要借助于人工经验的计算方法，工作效率得到了显著提高，节约了工程项目的设计时间，其精度也更能满足要求.

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[12] ANSYS，Inc.ANSYS RELEASE10.0 Documentation[M].ANSYS Inc，2005:52－63.

责任编辑:时 凌

Dynamic Characteristics Analysis for Key Components of Shaft Extension Tubular Hydroelectric Generating Set

XU Chao1，LONG Yang1，GENG Dongshan2，LIAO Honghua2，YUAN Hailin2，LI Shaowu1
(1.Science and Technology College of Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China；2.School of Information and Engneering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China)

Based on theoperating characteristics of shaft extension tubular hydroelectric generating set，this paper makesa dynamic characteristics analysis for key components of shaft extension tubular hydroelectric generating set by using ANSYS in order to guarantee the safety of the operation.In the whole process of analysis，the overall and local stress characteristics are fully simulated，and the computational accuracy is high.The results show that this structure meets the design requirements.Compared with the traditional calculation method，this method significantly improves work efficiency and saves time for project design and its precision can meet higher requirement.It provides the research methods forstructural optimization of shaft extension tubular hydroelectric generating set.

hydroelectric generating set(HGS)；finite element；dynamic characteristics；ANSYS

TH123.4

A

1008－8423(2017)01－0063－03

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.015

2016－12－06.

国家自然科学基金项目(61463014；61263030).

徐超(1984－)，男(土家族)，硕士，主要从事电力系统及其自动化的研究.