株溪口水电厂机组转轮室结构安全数值分析

张宝庆 ，陈 伽 ，彭育斌 ，王 华 ，田海平 ，谢捷敏

(1. 五凌电力株溪口水电厂，湖南 益阳 413000；2. 湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004；3. 湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007）

0 概述

株溪口水电厂装有4台18.5 MW灯泡贯流式水轮发电机组，发电机型号为SFWG18.5-64/6400，水轮机选用安德里茨新开发的三叶片转轮，其轮毂比为0.34，型号为GZ-WP-630，机组由浙江富春江水电设备有限公司制造，于2008年投产发电[1,2]。机组投产后，灯泡贯流式机组转轮室存在诸多结构安全问题，影响机组长期安全稳定运行。为此，本文对转轮室进行了结构数值计算，并结合计算结果分析了转轮室的固有频率和疲劳状态。

1 转轮室基本情况

株溪口电厂贯流式机组转轮室结构尺寸如图1所示。转轮室由钢板焊接而成，总长度3 750 mm，总重26 t，由球面段、喉管段、直锥段、伸缩段几部分焊接而成，外面设有四道环筋，转轮室与叶片相关部分为球面。喉管部分用0Cr13Ni5Mo不锈钢材料，长度为1 m，其他转轮室部位为普通Q235钢，转轮室壁厚均为32 mm。为便于安装和检修，转轮室分为上下两半，用螺栓连接。

2 计算模型与工况

图 1 转轮 室结构尺寸

转轮室有限元模型采用ANSYS高阶3维10节点固体结构单元Solid187单元，Solid 187单元具有二次位移模式，可以更好的模拟不规则的模型。单元通过10个节点来定义,每个节点有3个沿着X、Y、Z方向平移的自由度。单元支持塑性、超弹性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变能力。株溪口转轮室结构材料为Q235和部分不锈钢0Cr13Ni5Mo，故其弹性模量可取为 E=2.00×105 N/mm2，泊松比 γ=0.30，密度ρ=7870 kg/m3。采用三维二次四面体单元Solid 187建立有限元模型，模型包括外配水环、转轮室、伸缩节刚体环、加劲板（环）整体三维有限元模型节点总数为50 444个。转轮室的基本尺寸和空间有限元网格[3]如图2、图3。

图2 转轮室设计图

图3 转轮室有限元模型

有限元整体分析模型的坐标系选择为：X轴为顺水流方向，以下游为正，Y轴为横水流方向，以左为正，Z轴为垂直水流方向，以上为正。约束条件取为：转轮室上游法兰面处采用固定约束。

转轮室计算工况如表1。

表1 计算工况表

3 计算模型与工况静态应力计算结果

静态应力计算结果如表2。

表2 计算结果

工况1：转轮室的最大等效应力为28.4 MPa，位于转轮室底部中心偏上游的位置。X向位移最大达0.12 mm，Y向位移最大达0.23 mm，Z向位移最大达0.37 mm，转轮室结构的合位移最大达0.38 mm，最大位移出现在转轮室底部中心偏下游的位置。转轮室位移如图4，应力如图5。

图4 工况1转轮室位移云图

图5 工况1转轮室应力云图

工况2：转轮室的最大等效应力为32.8 MPa，位于转轮室底部中心偏上游的位置。X向位移最大达0.13 mm，Y向位移最大达0.26 mm，Z向位移最大达0.41 mm，转轮室结构的合位移最大达0.43 mm，最大位移出现在转轮室底部中心偏下游的位置。转轮室位移如图6，应力如图7。

图6 工况2转轮室位移云图

图7 工况2转轮室应力云图

4 模态计算结果

空气与有水工况模态计算结果见表3，模态振型如图8、图9。

5 疲劳分析

疲劳分析中钢材的S～N曲线至关重要，对于Q235A，其屈服强度为235 MPa，极限强度为460 MPa，不同的残余应力有S～N曲线如下页图10。

表3 计算结果

按规范和工程经验，给定1×106的循环次数为上限即疲劳寿命无限大，可知残余应力和允许应力关系如表4。

表4 转轮室残余应力与允许应力关系

根据实际工程经验，水压脉动幅值取20%校核洪水位水压，计算转轮室的等效应力幅值如图11。最大动应力为10.74 MPa，对比表4可知，残余应力在400 MPa的允许应力小于最大动应力，300 MPa以内的残余应力均大于允许应力，基本不会产生疲劳破坏。因此，应进一步计算残余应力在400 MPa的疲劳，相关计算结果如图12、图13。

由图12、图13可知，转轮室在残余应力400 MPa下疲劳破坏最小循环次数为4.54×105次，最危险地方为转轮室底部中心偏上游处。此时频率若为0.1、0.5、1、5、10 Hz，则疲劳破坏时间分别为 52.5 d、10.5 d、5.25 d、1.05 d、0.53 d，显然都是不允许的。

图9 有水模态振型

图10 Q235A在不同残余应力下的SN曲线

6 结论

图11 20%校核洪水位水压作用下转轮室等效应力（MPa）

图12 转轮室能承受的最大疲劳循环次数（残余应力400 MPa）

图13 转轮室疲劳安全系数（残余应力400 MPa）

（1）对于正常蓄水位，转轮室的最大等效应力为28.4 MPa，位于转轮室底部中心偏上游的位置。X向位移最大达0.12 mm，Y向位移最大达0.23 mm，Z向位移最大达0.37 mm，转轮室结构的合位移最大达0.38 mm，最大位移出现在转轮室底部中心偏下游的位置。

（2）对于校核洪水位，转轮室的最大等效应力为32.8 MPa，位于转轮室底部中心偏上游的位置。X向位移最大达0.13 mm，Y向位移最大达0.26 mm，Z向位移最大达0.41 mm，转轮室结构的合位移最大达 0.43 mm，最大位移出现在转轮室底部中心偏下游的位置。

（3）转轮室干模态下前10阶的固有频率计算结果分别为 47.03 Hz、51.36 Hz、55.50 Hz、56.50 Hz、76.97 Hz、83.94 Hz、84.50 Hz、85.52 Hz、103.57 Hz、105.27 Hz。

（4）转轮室湿模态下前10阶的固有频率计算结果分别为 37.16 Hz、40.22 Hz、42.80 Hz、45.65 Hz、48.62 Hz、49.47 Hz、54.34 Hz、69.12 Hz、73.43 Hz、82.39 Hz。

（5）转轮室疲劳分析中，残余应力为400 MPa左右时，才大于疲劳应力中的允许应力。对于水压脉动为20%校核洪水位水压时，转轮室在残余应力400 MPa下疲劳破坏最小循环次数为4.54×105次，最危险地方为转轮室底部中心偏上游处，此时频率若为 0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz，则疲劳破坏时间分别为 52.5 d、10.5 d、5.25 d、1.05 d、0.53 d。由于残余应力出现400 MPa的可能性较低，故转轮室出现疲劳破坏可能也较低。

参考文献：

[1] 李华喜. 株溪口水电厂灯泡贯流式机组低负荷区运行优化研究 [J]. 低碳世界 , 2014（10）:113-114.

[2] 周玉明. GMH550测振测摆系统在株溪口水电厂的实践与应用[J]. 水电站机电技术,2014（06）:64-69.

[3] 何昊. 水轮机转轮室设计方案的工艺与强度性能研究[J].机械工程师 , 2016（05）: 172-173.