水輪發(fā)電機組大部件結(jié)構(gòu)筋板對剛強度性能的影響分析

王治國，郭 杰，鐘 蘇，王應(yīng)倫，楊國昌

水輪機及水泵

水輪發(fā)電機組大部件結(jié)構(gòu)筋板對剛強度性能的影響分析

王治國1,2，郭 杰3，鐘 蘇1,2，王應(yīng)倫1，楊國昌1

（1. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室（哈爾濱大電機研究所），哈爾濱 150040；3. 廣西桂冠電力股份有限公司，貴州 興義 562400）

筋板結(jié)構(gòu)的布置位置和形狀，以及筋板與主體結(jié)構(gòu)的連接情況都會對水輪發(fā)電機組大部件的局部應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形、剛度性能和固有頻率產(chǎn)生影響。本文計算分析了筋板對水輪發(fā)電機組大部件在局部應(yīng)力、結(jié)構(gòu)變形、剛度性能和固有頻率等以上各個方面的具體影響情況，并提出了合理建議，對水輪發(fā)電機組的設(shè)計和安裝制造具有一定的借鑒意義。

筋板；局部應(yīng)力；結(jié)構(gòu)變形；剛度性能；固有頻率

0 前言

筋板作為一種簡單且易加工安裝的結(jié)構(gòu)，普遍應(yīng)用于各種類型的部件當(dāng)中，其最基礎(chǔ)的功能在于支撐作用與加強作用，即所說的支撐筋與加強筋。筋板的形狀、厚度與數(shù)量和連接方式均不同程度影響到實際應(yīng)用效果。

筋板按普遍使用功能劃分主要可分為支撐筋、加強筋、分布筋和通長筋。支撐筋的作用是支撐整體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定不變形，產(chǎn)生屈曲效應(yīng)；加強筋的作用是使箱體承受較大的負(fù)荷，其主要承受彎矩和剪力；分布筋的作用主要是防止板面溫度裂縫；通長筋源于抗震構(gòu)造要求，這里“通長”的含義是保證梁各個部位的這部分鋼筋都能發(fā)揮其受拉承載力，以抵抗框架梁在地震作用過程中反彎點位置發(fā)生變化的可能。

在水輪發(fā)電機組的大部件中均不同程度用到筋板，一方面，支撐筋和加強筋可以使得水輪機整體部件結(jié)構(gòu)的形狀保持穩(wěn)定不變形，增強結(jié)構(gòu)的剛度，并承受較大的載荷，另一方面，筋板的應(yīng)用可起到降低成本，減輕整體結(jié)構(gòu)的重量和厚度的作用，以較小的重量即可以起到解決局部應(yīng)力過大或整體剛度過小的問題[1-4]。

水輪發(fā)電機組的大部件基本均存在一定數(shù)量的筋板，比如發(fā)電機的上、下機架、定子機架、轉(zhuǎn)子中心體、水輪機的頂蓋，底環(huán)和蝸殼座環(huán)等部件。這些部件筋板的主要作用不盡相同，譬如，對于頂蓋需關(guān)注的最重要因素是徑向變形和軸向變形，對于上、下機架和定子機架其最大影響因素為局部應(yīng)力和固有頻率。對于加強筋和支撐筋的實際作用存在各種影響因素，在這些影響因素中按其重要性進(jìn)行分類和排序，以方便在結(jié)構(gòu)設(shè)計時進(jìn)行運用[5-8]。

1 筋板的布置方式對局部應(yīng)力的影響

對于加強筋而言，其最主要的作用是承受局部最大應(yīng)力，對于筋板的布置位置在很大程度上將影響最大局部應(yīng)力的大小。

以頂蓋為例（如圖1所示），對筋板的布置位置進(jìn)行了分析比較，頂蓋原結(jié)構(gòu)（如圖2所示）采用12個長筋板、12個短筋板，間隔配置。此時頂蓋最大應(yīng)力部位為環(huán)板與短筋板相接位置處，從實際效果看，長短搭配，間隔配置對于局部應(yīng)力有不利之處，最大應(yīng)力會出現(xiàn)在短筋板位置處，且長短筋板最大應(yīng)力值會有較大區(qū)別，從應(yīng)力數(shù)值來看，長短筋板應(yīng)力比較見表1。

圖1 水輪機頂蓋現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)圖

圖2 水輪機頂蓋有限元Mises應(yīng)力云圖

表1 頂蓋應(yīng)力數(shù)值

同樣，該結(jié)構(gòu)對于水輪機底環(huán)（如圖3所示）也存在類似問題，這主要是由于頂蓋與底環(huán)均為水輪機的過流部件（如圖4所示），其受力形式基本一致，屬于典型的箱式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點在于其主要受力面為箱體的上下環(huán)板，其約束位置為頂蓋或底環(huán)上下環(huán)板的螺栓把合位置。因此可將頂蓋或底環(huán)簡化為整體剛性環(huán)結(jié)構(gòu)，即變形以圓環(huán)徑向和軸向轉(zhuǎn)角變形為主，且假定頂蓋或底環(huán)的剖切面不產(chǎn)生變形，這在一定程度上要求頂蓋或底環(huán)的軸向剛度和徑向剛度必須滿足剛性使用要求，在長短筋板間隔配置結(jié)構(gòu)中，這種方案會造成短筋板位置處剛度降低，從而使局部應(yīng)力升高。

圖3 水輪機底環(huán)現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)圖

圖4 水輪機頂蓋和底環(huán)受力分布圖

從設(shè)計角度來看，建議對頂蓋或底環(huán)進(jìn)行設(shè)計時，在考慮其他部件布置空間的前提下，均以長筋板進(jìn)行布置。為便于安裝和拆除頂蓋或底環(huán)，可從筋板形狀優(yōu)化或筋板中間開孔（過人孔）角度考慮（如圖5和圖6所示）來布置筋板，對于必須要有短筋板時，為減少短筋板的整體數(shù)量，必要時可考慮非對稱布置。

在有效加強區(qū)域內(nèi)，筋板布置部位的不同對局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力具有不同的影響情況，對于主要變形和主要受力區(qū)域均屬于有效加強區(qū)域，離受力最大區(qū)域越近，加強效果越顯著。在非有效加強區(qū)域布置加強筋則不能改善局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和降低局部應(yīng)力值。在有效加強區(qū)域內(nèi)設(shè)計加強筋的結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)根據(jù)焊接工藝的影響來選擇最優(yōu)的布置方案，提高材料的合理利用率，改善局部應(yīng)力分布。

在工藝允許的前提下合理布置加強筋能夠大幅度提高結(jié)構(gòu)承載能力，改善局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布。對于不準(zhǔn)備更改結(jié)構(gòu)，但又需要考慮減小質(zhì)量的部件，考慮設(shè)計加強筋來增強結(jié)構(gòu)承受載荷的能力，達(dá)到減小質(zhì)量的效果，也是一個很好的方向[9]。

圖5 頂蓋筋板形狀優(yōu)化

圖6 頂蓋筋板開過人孔

2 筋板的形狀因素對局部應(yīng)力的影響

筋板對局部應(yīng)力的影響還表現(xiàn)在筋板的形狀因素以及筋板的連接方式上，對于出現(xiàn)局部高應(yīng)力位置的筋板，可從筋板形狀或筋板連接方式角度來考慮合理優(yōu)化筋板，來降低局部高應(yīng)力。

以水輪機的蝸殼止推環(huán)為例，蝸殼進(jìn)水段由于受到不均勻水推力的影響，使得止推環(huán)除受到蝸殼內(nèi)部的水壓力外，還需承受水推力所傳遞的軸向拉力載荷，由于混凝土無法單獨承受較大的壓力載荷，因此筋板布置的方向?qū)τ谥雇骗h(huán)的安全性具有較大的影響，這是因為當(dāng)止推環(huán)筋板位于下游側(cè)時其大部分承受的為壓力載荷，無法起到應(yīng)有的作用。

止推環(huán)筋板不同的結(jié)構(gòu)形狀（具體結(jié)構(gòu)如圖7~10所示）對于局部應(yīng)力的大小具有明顯的影響，見表2。

圖7 水輪機蝸殼止推環(huán)-結(jié)構(gòu)1

圖8 水輪機蝸殼止推環(huán)-結(jié)構(gòu)2

圖9 水輪機蝸殼止推環(huán)-結(jié)構(gòu)3

圖10 水輪機蝸殼止推環(huán)-結(jié)構(gòu)4

表2 止推環(huán)應(yīng)力數(shù)值

結(jié)構(gòu)1~4應(yīng)力云圖如圖11~14所示。從圖中可以看出，對于筋板的作用，尤其是對于局部應(yīng)力的影響。筋板形狀的優(yōu)化對局部應(yīng)力的降低是有明顯效果的，這里推薦采用斜梯形筋板，這是由于止推環(huán)結(jié)構(gòu)受力的合理分布性，這從有限元的應(yīng)力分布可以直觀看出，無論是結(jié)構(gòu)1，還是結(jié)構(gòu)2，均無法有效降低局部應(yīng)力和變形，結(jié)構(gòu)2相比結(jié)構(gòu)1具有一定的效果，在結(jié)構(gòu)2基礎(chǔ)上對于應(yīng)力集中位置進(jìn)行了倒圓處理，從實際情況來看，結(jié)構(gòu)3對于筋板結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中的降低具有實際的效果。

為考察筋板形狀對受力狀態(tài)的影響，增大蝸殼與筋板之間受力夾角，使得筋板整體形狀為斜梯形，經(jīng)過計算，此種結(jié)構(gòu)對于局部應(yīng)力的降低效果最佳，因此，推薦采用斜梯形結(jié)構(gòu)（如圖10所示）。為對比筋板厚度的變化與筋板數(shù)量的增加對局部應(yīng)力的影響情況，我們對筋板數(shù)量增加了一倍和厚度增加20mm的情況進(jìn)行了計算和對比分析。從實際效果來看，筋板厚度以及數(shù)量的增加對于局部應(yīng)力的降低效果也較為明顯，與筋板形狀的優(yōu)化基本一致。

圖11 水輪機蝸殼止推環(huán)應(yīng)力云圖-結(jié)構(gòu)1

圖12 水輪機蝸殼止推環(huán)應(yīng)力云圖-結(jié)構(gòu)2

圖13 水輪機蝸殼止推環(huán)應(yīng)力云圖-結(jié)構(gòu)3

圖14 水輪機蝸殼止推環(huán)應(yīng)力云圖-結(jié)構(gòu)4

對于筋板形狀和位置與局部應(yīng)力的影響關(guān)系，其與筋板支撐作用受力狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)筋板所受載荷以拉力載荷為主時，應(yīng)主要考慮優(yōu)化筋板形狀，其次再考慮增加筋板數(shù)量和筋板厚度。對于水輪機蝸殼打壓悶頭（如圖15所示）加強筋板與止推環(huán)一致，具有相同的受力特點。

圖15 水輪機打壓悶頭應(yīng)力云圖

3 筋板對結(jié)構(gòu)軸向變形和徑向變形的影響

筋板對結(jié)構(gòu)變形的影響主要是指對軸向變形和徑向變形的影響，對于水輪發(fā)電機大部件來說，其主要關(guān)注點在于筋板的彎剪剛度的大小及抗失穩(wěn)能力。從理論分析來看，根據(jù)彈性材料力學(xué)，可知剛度，這里為材料的彈性模量，為結(jié)構(gòu)筋板的慣性矩。

對于徑向剛度，可從增加筋板抗剪剛度來提高徑向剛度[11]。頂蓋整體剛度性能基本可滿足使用要求，最應(yīng)關(guān)注的是支撐軸承位置的徑向變形大小需滿足導(dǎo)軸承支撐剛度的要求。從實際情況來看，其最重要的影響因素是法蘭把合位置[12]，這是由于支撐位置與法蘭把合位置形成彎矩平衡，當(dāng)兩個位置在軸向距離最小時，即在一個平面，可知此時徑向支撐剛度最大。當(dāng)支撐位置和法蘭把合位置不在一個平面時，其最主要的影響因素為外側(cè)環(huán)板的高度與厚度，將直接決定頂蓋整體徑向剛度性能。因此，對支撐位置剛度影響最大的為支撐位置處環(huán)板的厚度，次要因素為徑向筋板的厚度和高度[13]。

對于水輪發(fā)電機大部件之一的上、下機架，同樣適用于這個理論。因此，在設(shè)計階段為保證軸承支撐剛度應(yīng)對相應(yīng)位置進(jìn)行局部加強，具體結(jié)構(gòu)如圖17和圖18所示。

圖16 水輪機頂蓋徑向剛度云圖

圖17 水輪發(fā)電機上機架徑向剛度云圖

圖18 水輪發(fā)電機下機架徑向剛度云圖

4 筋板對結(jié)構(gòu)固有頻率的影響

筋板不僅在局部應(yīng)力和結(jié)構(gòu)剛度方面會對水輪發(fā)電機大部件造成影響，其對結(jié)構(gòu)整體固有頻率的影響也不可忽略。一方面，筋板的布置位置對固有頻率的各階模態(tài)與節(jié)徑振型有顯著影響，另一方面，筋板的質(zhì)量分布也直接影響各階固有頻率的高低。

以頂蓋為例，通過筋板的增加對于固有頻率的影響可直觀看出影響變化情況，以筋板來進(jìn)行結(jié)構(gòu)固有頻率的改變，其改變有限，但對于整體振型存在一定的影響[16]，具體數(shù)據(jù)見表3。從頂蓋整體振動影響范圍可明顯看出區(qū)別所在，筋板的增加使得剛度有所增大，因此振動范圍有減小趨勢，從經(jīng)濟(jì)性角度來看，不推薦以增減筋板來改變結(jié)構(gòu)固有頻率，從改變附加質(zhì)量或結(jié)構(gòu)形式來進(jìn)行整體固有頻率的改變更為有效[16]。

結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2頂蓋第2階二瓣振型圖如圖19和20所示。結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2第3階四瓣振型圖如圖21和22所示。

表3 頂蓋固有頻率數(shù)值

圖19 頂蓋第2階二瓣振型-結(jié)構(gòu)1

圖20 頂蓋第2階二瓣振型-結(jié)構(gòu)2

圖21 頂蓋第3階四瓣振型-結(jié)構(gòu)1

圖22 頂蓋第3階四瓣振型-結(jié)構(gòu)2

5 結(jié)論

（1）水輪發(fā)電機大部件中筋板的增加，需要考慮整體結(jié)構(gòu)實際的受力情況，對于局部應(yīng)力和變形的影響，均不同程度體現(xiàn)在筋板施加的部位，即筋板的影響范圍，在設(shè)計階段應(yīng)對結(jié)構(gòu)受力情況有清晰的認(rèn)識，從而采取合理的布置方案，將筋板布置在最大應(yīng)力和最大變形影響區(qū)域范圍內(nèi)，以保證局部應(yīng)力和變形能滿足使用要求。

（2）筋板的結(jié)構(gòu)形式對局部應(yīng)力的影響較大，因此，設(shè)計階段需采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，充分考慮筋板形狀對受力的影響，對筋板進(jìn)行有效優(yōu)化，以保證局部應(yīng)力集中現(xiàn)象最大程度的消除，從而使得筋板的支撐和加強作用得到保證，在此基礎(chǔ)上再考慮其他要素來進(jìn)行調(diào)整。

（3）筋板的抗失穩(wěn)能力體現(xiàn)在徑向和軸向支撐剛度上，對于筋板如何保證剛度滿足使用要求，從計算分析來看，對于軸向剛度，長筋板相對短筋板對于軸向剛度的增加更為有利，這從有限元分析和其他資料中也得到了同樣的結(jié)論。對于支撐軸承位置的徑向剛度，在不考慮法蘭把合位置的前提下，當(dāng)把合位置和法蘭把合位置不在一個平面時，其最主要的影響因素為外側(cè)環(huán)板的高度與厚度，其將直接決定頂蓋整體徑向剛度性能，次要因素為徑向筋板的厚度和高度。

（4）通過增加筋板，來增加整體剛度的方法對于固有頻率的改善有限，但通過增加筋板改變剛度和整體質(zhì)量對于振型的改變效果較好，從經(jīng)濟(jì)性角度來看，不推薦以增減筋板來改變結(jié)構(gòu)固有頻率，從附加質(zhì)量的改變或改變結(jié)構(gòu)形式來進(jìn)行整體固有頻率的改變更為有效。

[1] 周剛. 立式水輪發(fā)電機組上機架振動過大原因分析及處理[J]. 廣西電力, 2007(2): 30-32．

[2] 王海, 錢勤, 鄭莉媛. 水輪發(fā)電機組上機架振動分析及有限元計算[J]. 水電能源科學(xué), 2003(21): 16-19．

[3] 馬磊, 張譯寒, 鄭海洋, 等. 水輪發(fā)電機上機架徑向剛度值的估算法研究[J]. 機械工程與自動化, 2014(1): 18-21．

[4] 毛子首. 水輪發(fā)電機組上機架-定子系統(tǒng)剛度及動態(tài)特性研究[D]. 大連理工大學(xué), 2010.

[5] 呂桂萍. 水輪發(fā)電機組大部件剛強度及動態(tài)特性研究[D]. 沈陽工業(yè)大學(xué), 2004．

[6] 楊磊, 李志和. 美國TIETON電站水輪發(fā)電機負(fù)重機架與定子聯(lián)合振動分析[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2002(18): 42-46．

[7] 哈爾濱大電機研究所. 大電機水輪機標(biāo)準(zhǔn)匯編——水輪機卷[M]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006．

[8] 戴英彪. 基于拉丁超立方試驗設(shè)計的事故再現(xiàn)結(jié)果不確定性分析[D]. 長沙理工大學(xué), 2011．

[9] 房佳. 縱向筋端部的應(yīng)力集中問題[J]. 科技咨訊, 2017(7): 105-107.

[10] 龐立軍, 鐘蘇.帶圓筒閥的水輪機頂蓋軸向剛度主要影響因素分析[J]. 大電機技術(shù), 2010(1): 54-57.

[11] 李燕軍. 水輪發(fā)電機組機架徑向剛度的結(jié)構(gòu)參數(shù)敏感度分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電, 2015(10): 179-183.

[12] 張常偉. 加筋板穩(wěn)定性承載能力的研究[D]. 上海海事大學(xué), 2006.

[13] 楊龍, 陽光武, 肖守訥, 等. 車輛設(shè)備箱體剛度提升方法研究[J]. 鐵道機車車輛, 2019(2): 19-24.

[14] 周傳榮, 趙淳生. 機械振動參數(shù)識別及其應(yīng)用[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1989.

[15] 姜翠香, 李卓球, 李克勤. 有限加筋板邊界效應(yīng)對應(yīng)力強度因子的影響[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2006(7): 75-77.

[16] 于德介. 用附加質(zhì)量和剛度修改結(jié)構(gòu)固有頻率與局部振型[J]. 振動、測試與診斷, 1997(2): 27-31.

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

王治國（1978-），2001年6月本科畢業(yè)于佳木斯工學(xué)院，2017年12月碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機組、汽輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)強度與振動測試專業(yè)工作，高級工程師。