大型机组垫层蜗壳充水基础抬升数值分析

朱文吉， 李 源， 陈昌林， 邓建安

(东方电气集团 东方电机有限公司， 四川 德阳 618000)

0 引 言

蜗壳作为水轮机组关键的受力部件和引水部件，其结构设计对机组安全运行具有重要意义[1].而蜗壳在充水后引起的机墩位置混凝土基础抬升会传递到发电机轴承，进而影响机组的运行状态，随着大型水电机组向高水头、大容量的趋势发展，蜗壳直径愈加巨大，蜗壳充水对混凝土层的作用也更加明显[2].在实际工程中，为了减小蜗壳向混凝土基础传力，通常会在大型水轮机组蜗壳上侧敷设弹性垫层，以达到改善蜗壳外围混凝土层应力状态的目的[3].而垫层的敷设范围和厚度选择，直接关系到土建结构和发电机部件的安全稳定.近年来，垫层蜗壳受到了科研与工程人员的广泛关注，并对相关问题进行了探讨[4-9].在此基础上，本研究利用ANSYS-Workbench有限元分析工具，建立了垫层蜗壳—混凝土相互作用模型，模拟了多种工况蜗壳充水引起的下机架和定子机座基础不平衡抬机问题，计算数据可用于发电机轴承精细化设计，也可为轴系安装调试提供相关依据.

1 建模与计算

1.1 机组垫层参数

作为研究对象的某水轮机组额定出力784 MW，蜗壳进口直径7.74 m，蜗壳厚度36～80 mm，最大水头229.4 m，升压水头287 m.其蜗壳弹性垫层敷设方案为：蜗壳垫层平面布置范围从蜗壳延伸段进口至蜗壳135 °，内侧距机坑里衬1 500 mm起，外侧至导水中心线高程，并覆盖集水箱，弹性垫层厚度为20 mm.计算模型以单台机组作为分析对象，上游取至厂坝分缝处，下游取至下游墙外表面，两侧以机组段永久缝为界，高度范围从尾水管直锥段底部取至发电机定子基础层.

1.2 计算模型建立

在对蜗壳座环、固定导叶结构强度计算中，需要建立相对详尽的几何模型以体现实际结构的细节.实际工程中的大型水轮机组蜗壳相邻截面之间多个方向存在较大厚度差异，蜗壳与过渡板连接位置也有大范围的厚度差，这给有限元建模带来一定难度.用实体单元建立蜗壳模型技术上固然可行，但与混凝土及垫层接触效果不理想.对此，本研究将蜗壳和过渡板用板壳单元模拟，其余结构仍采用实体单元模拟.

根据机组设计参数，本研究编写了用于高效建立蜗壳模型的APDL命令流，座环和固定导叶采用整体建模，在Workbench工具中建立倒角模拟焊缝，并根据设计方案为蜗壳和过渡板各截面定义厚度，这样可完全真实反映机组结构特征.座环蜗壳模型与混凝土做布尔运算后，用蜗壳建模类似方法可以方便地切分出弹性垫层实体模型，完全能够适用于变厚度的垫层敷设方案.

在模型计算中， 混凝土参数为:弹性模量2.8×104N/mm2，泊松比0.18，密度2.548×10-6kg/mm3.聚氨酯软木垫层材料参数为:弹性模量2.5 N/mm2，泊松比0.2.蜗壳、座环和固定导叶材料参数如表1所示.

表1 座环蜗壳材料机械特性表

本研究的实体模型和有限元网格如图1所示.其中，蜗壳与座环环板绑定接触，蜗壳与弹性垫层及混凝土的接触面采用标准接触单元.模型的计算程序为ANSYS-Workbench，Z向为垂直向上.

(a)垫层蜗壳混凝土实体模型

(b)垫层蜗壳混凝土有限元模型

(c)座环蜗壳实体模型

(d)座环蜗壳有限元模型

1.3 约束条件与计算工况

在有限元计算时，约束条件为：座环与基础连接面给予完全约束，蜗壳进水口进行水流方向和环向位移约束；所取的混凝土区域底部进行全约束，其余边界自由.

计算模型的受力情况为：下机架所受力由下机架重量、转动部分重量及水推力组成；定子机座受力来自定子机座和上机架重量.该机组垫层蜗壳充水基础抬升计算工况如表2所示.

表2 垫层蜗壳充水基础抬升计算工况

1.4 计算结果

根据电机层实际布置情况，在模型中切分出下机架支腿和定子机座支腿位置，分别如图2、3所示.

图2混凝土基础层下机架支腿布置示意图

图3混凝土基础层定子机座支腿布置示意图

1)计算3种工况下，蜗壳、混凝土变形情况以及下机架和定子机座各支腿Z向绝对变形.以升压水头工况为例，图4给出了蜗壳、混凝土、下机架基础和定子基础Z向位移云图，下机架和定子机座各支腿Z向抬升计算结果见表3、4.计算结果表明，3种工况下，蜗壳最大Z向位移依次为2.749 mm、2.733 mm和3.431 mm，混凝土最大Z向位移依次为1.184 mm、1.169 mm和1.475 mm.

(a)蜗壳Z向位移云图(mm)

(b)混凝土Z向位移云图(mm)

(c)下机架基础Z向位移云图(mm)

(d)定子基础Z向位移云图(mm)

表4 升压水头工况定子机座支腿Z向抬升量计算结果(mm)

2)3种工况下，下机架和定子机座各支腿基础抬升分布规律如图5、6所示.

图5各工况下机架支腿Z向抬升曲线

图6各工况定子机座支腿Z向抬升曲线

计算结果显示，3种计算工况下机架基础和定子机座基础各支腿上抬量规律一致，抬升量最大的是压力载荷居首的升压水头工况，其次是充水工况，最小出现在最大水头工况.原因是充水工况尚未产生沿Z轴向下的水推力，上抬量较正常运行工况偏大，说明机墩抬升受水压力和基础载荷共同影响.下机架和定子机座各支腿最大抬升量均出现在+X方向顺时针45°左右区域，该区域蜗壳被垫层覆盖，虽然蜗壳变形远小于垫层厚度，但仍有较大的作用力通过垫层传递到混凝土造成不平衡抬机所致.

2 结 论

本研究表明，机墩不平衡抬升受到水压力和基础载荷共同作用，各运行工况下的下机架和定子机座各支腿Z向不平衡抬升量分布规律基本一致，最大抬升量均出现在+X方向顺时针45°区域.实际工程中，应注意充水状态的参数收集和分析，以保证运行状态的机组稳定性.本研究的方法和结果对垫层蜗壳的设计计算和发电机结构的优化调节具有一定的参考价值.