水轮发电机组大部件结构筋板对刚强度性能的影响分析

王治国，郭 杰，钟 苏，王应伦，杨国昌

水轮机及水泵

水轮发电机组大部件结构筋板对刚强度性能的影响分析

王治国1,2，郭 杰3，钟 苏1,2，王应伦1，杨国昌1

（1. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040；2. 水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），哈尔滨 150040；3. 广西桂冠电力股份有限公司，贵州 兴义 562400）

筋板结构的布置位置和形状，以及筋板与主体结构的连接情况都会对水轮发电机组大部件的局部应力、结构变形、刚度性能和固有频率产生影响。本文计算分析了筋板对水轮发电机组大部件在局部应力、结构变形、刚度性能和固有频率等以上各个方面的具体影响情况，并提出了合理建议，对水轮发电机组的设计和安装制造具有一定的借鉴意义。

筋板；局部应力；结构变形；刚度性能；固有频率

0 前言

筋板作为一种简单且易加工安装的结构，普遍应用于各种类型的部件当中，其最基础的功能在于支撑作用与加强作用，即所说的支撑筋与加强筋。筋板的形状、厚度与数量和连接方式均不同程度影响到实际应用效果。

筋板按普遍使用功能划分主要可分为支撑筋、加强筋、分布筋和通长筋。支撑筋的作用是支撑整体结构保持稳定不变形，产生屈曲效应；加强筋的作用是使箱体承受较大的负荷，其主要承受弯矩和剪力；分布筋的作用主要是防止板面温度裂缝；通长筋源于抗震构造要求，这里“通长”的含义是保证梁各个部位的这部分钢筋都能发挥其受拉承载力，以抵抗框架梁在地震作用过程中反弯点位置发生变化的可能。

在水轮发电机组的大部件中均不同程度用到筋板，一方面，支撑筋和加强筋可以使得水轮机整体部件结构的形状保持稳定不变形，增强结构的刚度，并承受较大的载荷，另一方面，筋板的应用可起到降低成本，减轻整体结构的重量和厚度的作用，以较小的重量即可以起到解决局部应力过大或整体刚度过小的问题[1-4]。

水轮发电机组的大部件基本均存在一定数量的筋板，比如发电机的上、下机架、定子机架、转子中心体、水轮机的顶盖，底环和蜗壳座环等部件。这些部件筋板的主要作用不尽相同，譬如，对于顶盖需关注的最重要因素是径向变形和轴向变形，对于上、下机架和定子机架其最大影响因素为局部应力和固有频率。对于加强筋和支撑筋的实际作用存在各种影响因素，在这些影响因素中按其重要性进行分类和排序，以方便在结构设计时进行运用[5-8]。

1 筋板的布置方式对局部应力的影响

对于加强筋而言，其最主要的作用是承受局部最大应力，对于筋板的布置位置在很大程度上将影响最大局部应力的大小。

以顶盖为例（如图1所示），对筋板的布置位置进行了分析比较，顶盖原结构（如图2所示）采用12个长筋板、12个短筋板，间隔配置。此时顶盖最大应力部位为环板与短筋板相接位置处，从实际效果看，长短搭配，间隔配置对于局部应力有不利之处，最大应力会出现在短筋板位置处，且长短筋板最大应力值会有较大区别，从应力数值来看，长短筋板应力比较见表1。

图1 水轮机顶盖现场安装结构图

图2 水轮机顶盖有限元Mises应力云图

表1 顶盖应力数值

同样，该结构对于水轮机底环（如图3所示）也存在类似问题，这主要是由于顶盖与底环均为水轮机的过流部件（如图4所示），其受力形式基本一致，属于典型的箱式结构，这种结构的特点在于其主要受力面为箱体的上下环板，其约束位置为顶盖或底环上下环板的螺栓把合位置。因此可将顶盖或底环简化为整体刚性环结构，即变形以圆环径向和轴向转角变形为主，且假定顶盖或底环的剖切面不产生变形，这在一定程度上要求顶盖或底环的轴向刚度和径向刚度必须满足刚性使用要求，在长短筋板间隔配置结构中，这种方案会造成短筋板位置处刚度降低，从而使局部应力升高。

图3 水轮机底环现场安装结构图

图4 水轮机顶盖和底环受力分布图

从设计角度来看，建议对顶盖或底环进行设计时，在考虑其他部件布置空间的前提下，均以长筋板进行布置。为便于安装和拆除顶盖或底环，可从筋板形状优化或筋板中间开孔（过人孔）角度考虑（如图5和图6所示）来布置筋板，对于必须要有短筋板时，为减少短筋板的整体数量，必要时可考虑非对称布置。

在有效加强区域内，筋板布置部位的不同对局部结构应力具有不同的影响情况，对于主要变形和主要受力区域均属于有效加强区域，离受力最大区域越近，加强效果越显著。在非有效加强区域布置加强筋则不能改善局部结构的应力分布和降低局部应力值。在有效加强区域内设计加强筋的结构布置时，应根据焊接工艺的影响来选择最优的布置方案，提高材料的合理利用率，改善局部应力分布。

在工艺允许的前提下合理布置加强筋能够大幅度提高结构承载能力，改善局部结构应力分布。对于不准备更改结构，但又需要考虑减小质量的部件，考虑设计加强筋来增强结构承受载荷的能力，达到减小质量的效果，也是一个很好的方向[9]。

图5 顶盖筋板形状优化

图6 顶盖筋板开过人孔

2 筋板的形状因素对局部应力的影响

筋板对局部应力的影响还表现在筋板的形状因素以及筋板的连接方式上，对于出现局部高应力位置的筋板，可从筋板形状或筋板连接方式角度来考虑合理优化筋板，来降低局部高应力。

以水轮机的蜗壳止推环为例，蜗壳进水段由于受到不均匀水推力的影响，使得止推环除受到蜗壳内部的水压力外，还需承受水推力所传递的轴向拉力载荷，由于混凝土无法单独承受较大的压力载荷，因此筋板布置的方向对于止推环的安全性具有较大的影响，这是因为当止推环筋板位于下游侧时其大部分承受的为压力载荷，无法起到应有的作用。

止推环筋板不同的结构形状（具体结构如图7~10所示）对于局部应力的大小具有明显的影响，见表2。

图7 水轮机蜗壳止推环-结构1

图8 水轮机蜗壳止推环-结构2

图9 水轮机蜗壳止推环-结构3

图10 水轮机蜗壳止推环-结构4

表2 止推环应力数值

结构1~4应力云图如图11~14所示。从图中可以看出，对于筋板的作用，尤其是对于局部应力的影响。筋板形状的优化对局部应力的降低是有明显效果的，这里推荐采用斜梯形筋板，这是由于止推环结构受力的合理分布性，这从有限元的应力分布可以直观看出，无论是结构1，还是结构2，均无法有效降低局部应力和变形，结构2相比结构1具有一定的效果，在结构2基础上对于应力集中位置进行了倒圆处理，从实际情况来看，结构3对于筋板结构局部应力集中的降低具有实际的效果。

为考察筋板形状对受力状态的影响，增大蜗壳与筋板之间受力夹角，使得筋板整体形状为斜梯形，经过计算，此种结构对于局部应力的降低效果最佳，因此，推荐采用斜梯形结构（如图10所示）。为对比筋板厚度的变化与筋板数量的增加对局部应力的影响情况，我们对筋板数量增加了一倍和厚度增加20mm的情况进行了计算和对比分析。从实际效果来看，筋板厚度以及数量的增加对于局部应力的降低效果也较为明显，与筋板形状的优化基本一致。

图11 水轮机蜗壳止推环应力云图-结构1

图12 水轮机蜗壳止推环应力云图-结构2

图13 水轮机蜗壳止推环应力云图-结构3

图14 水轮机蜗壳止推环应力云图-结构4

对于筋板形状和位置与局部应力的影响关系，其与筋板支撑作用受力状态有关，当筋板所受载荷以拉力载荷为主时，应主要考虑优化筋板形状，其次再考虑增加筋板数量和筋板厚度。对于水轮机蜗壳打压闷头（如图15所示）加强筋板与止推环一致，具有相同的受力特点。

图15 水轮机打压闷头应力云图

3 筋板对结构轴向变形和径向变形的影响

筋板对结构变形的影响主要是指对轴向变形和径向变形的影响，对于水轮发电机大部件来说，其主要关注点在于筋板的弯剪刚度的大小及抗失稳能力。从理论分析来看，根据弹性材料力学，可知刚度，这里为材料的弹性模量，为结构筋板的惯性矩。

对于径向刚度，可从增加筋板抗剪刚度来提高径向刚度[11]。顶盖整体刚度性能基本可满足使用要求，最应关注的是支撑轴承位置的径向变形大小需满足导轴承支撑刚度的要求。从实际情况来看，其最重要的影响因素是法兰把合位置[12]，这是由于支撑位置与法兰把合位置形成弯矩平衡，当两个位置在轴向距离最小时，即在一个平面，可知此时径向支撑刚度最大。当支撑位置和法兰把合位置不在一个平面时，其最主要的影响因素为外侧环板的高度与厚度，将直接决定顶盖整体径向刚度性能。因此，对支撑位置刚度影响最大的为支撑位置处环板的厚度，次要因素为径向筋板的厚度和高度[13]。

对于水轮发电机大部件之一的上、下机架，同样适用于这个理论。因此，在设计阶段为保证轴承支撑刚度应对相应位置进行局部加强，具体结构如图17和图18所示。

图16 水轮机顶盖径向刚度云图

图17 水轮发电机上机架径向刚度云图

图18 水轮发电机下机架径向刚度云图

4 筋板对结构固有频率的影响

筋板不仅在局部应力和结构刚度方面会对水轮发电机大部件造成影响，其对结构整体固有频率的影响也不可忽略。一方面，筋板的布置位置对固有频率的各阶模态与节径振型有显著影响，另一方面，筋板的质量分布也直接影响各阶固有频率的高低。

以顶盖为例，通过筋板的增加对于固有频率的影响可直观看出影响变化情况，以筋板来进行结构固有频率的改变，其改变有限，但对于整体振型存在一定的影响[16]，具体数据见表3。从顶盖整体振动影响范围可明显看出区别所在，筋板的增加使得刚度有所增大，因此振动范围有减小趋势，从经济性角度来看，不推荐以增减筋板来改变结构固有频率，从改变附加质量或结构形式来进行整体固有频率的改变更为有效[16]。

结构1和结构2顶盖第2阶二瓣振型图如图19和20所示。结构1和结构2第3阶四瓣振型图如图21和22所示。

表3 顶盖固有频率数值

图19 顶盖第2阶二瓣振型-结构1

图20 顶盖第2阶二瓣振型-结构2

图21 顶盖第3阶四瓣振型-结构1

图22 顶盖第3阶四瓣振型-结构2

5 结论

（1）水轮发电机大部件中筋板的增加，需要考虑整体结构实际的受力情况，对于局部应力和变形的影响，均不同程度体现在筋板施加的部位，即筋板的影响范围，在设计阶段应对结构受力情况有清晰的认识，从而采取合理的布置方案，将筋板布置在最大应力和最大变形影响区域范围内，以保证局部应力和变形能满足使用要求。

（2）筋板的结构形式对局部应力的影响较大，因此，设计阶段需采用合理的结构设计形式，充分考虑筋板形状对受力的影响，对筋板进行有效优化，以保证局部应力集中现象最大程度的消除，从而使得筋板的支撑和加强作用得到保证，在此基础上再考虑其他要素来进行调整。

（3）筋板的抗失稳能力体现在径向和轴向支撑刚度上，对于筋板如何保证刚度满足使用要求，从计算分析来看，对于轴向刚度，长筋板相对短筋板对于轴向刚度的增加更为有利，这从有限元分析和其他资料中也得到了同样的结论。对于支撑轴承位置的径向刚度，在不考虑法兰把合位置的前提下，当把合位置和法兰把合位置不在一个平面时，其最主要的影响因素为外侧环板的高度与厚度，其将直接决定顶盖整体径向刚度性能，次要因素为径向筋板的厚度和高度。

（4）通过增加筋板，来增加整体刚度的方法对于固有频率的改善有限，但通过增加筋板改变刚度和整体质量对于振型的改变效果较好，从经济性角度来看，不推荐以增减筋板来改变结构固有频率，从附加质量的改变或改变结构形式来进行整体固有频率的改变更为有效。

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Analysis of the Influence of Rib Plate on the Structural Strength Performance of the Large Parts of Hydro-generator Set

WANG Zhiguo1,2, GUO Jie3, ZHONG Su1,2, WANG Yinglun1, YANG Guochang1

(1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China;2. State Key Laboratory of Hydropower Equipment(HILEM), Harbin 150040, China;3. Guangxi Gui Guan Electric Power Co., Ltd., Xingyi 562400, China)

The layout position and shape of the stiffened plate structure, as well as the connection between the stiffened plate and the main structure, will affect the local stress, structural deformation, stiffness performance and natural frequency of the large parts of the hydro-generator set. This paper calculates and analyzes the concrete influence of rib plate on the local stress, structural deformation, stiffness performance and natural frequency of large components of hydro-generator set, and puts forward reasonable suggestions, which have great reference significance to the design, installation and manufacture of hydro-generator set.

rib plate; local stress; structural deformation; stiffness performance; natural frequency

TM312

A

1000-3983(2021)01-0082-07

2020-08-20

王治国（1978-），2001年6月本科毕业于佳木斯工学院，2017年12月硕士毕业于哈尔滨工业大学，现从事水轮发电机组、汽轮发电机组结构强度与振动测试专业工作，高级工程师。