預(yù)緊力水輪機頂蓋與座環(huán)全三維聯(lián)合受力強度分析

譚 嘯， 朱 毅

(1.國家能源集團大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

頂蓋是水輪機中既有支撐又有過流作用的重要部件，其剛強度及其聯(lián)接螺栓的可靠性很大程度上決定著水輪發(fā)電機組能否安全、穩(wěn)定地運行[1-3]。水輪機頂蓋與座環(huán)、導(dǎo)水機構(gòu)、水導(dǎo)軸承等部件均有直接聯(lián)接，各部件之間存在力的相互作用，整體受力情況復(fù)雜[4]。近年來，隨著水電開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)水輪發(fā)電機組最大單機容量已大幅提升，結(jié)構(gòu)尺寸越來越大，同時水電機組深度參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰，過渡過程特性十分復(fù)雜，頂蓋與座環(huán)聯(lián)接螺栓和分瓣頂蓋聯(lián)接螺栓受力狀態(tài)更為多變，在機組甩負(fù)荷等特殊狀態(tài)下，有可能使聯(lián)接螺栓發(fā)生松動、失效甚至斷裂而造成嚴(yán)重后果。王明等對大型水輪機頂蓋和蝸殼座環(huán)的應(yīng)力與變形進(jìn)行了聯(lián)合受力下的有限元分析計算，并與傳統(tǒng)單個分析結(jié)果進(jìn)行了比較，計算分析表明，采用頂蓋和座環(huán)的聯(lián)合受力分析可更準(zhǔn)確地確定頂蓋與座環(huán)的應(yīng)力和變形。肖良瑜[5]建立了考慮預(yù)緊力的頂蓋與座環(huán)聯(lián)合受力計算周期模型，探討了座環(huán)對頂蓋應(yīng)力和變形的影響。賈偉[6]對大型軸流式水輪機頂蓋進(jìn)行了強度及動態(tài)特性分析并對頂蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。陳柳[7]等對仙居抽水蓄能電站頂蓋座環(huán)聯(lián)接螺栓的受力特性進(jìn)行了初步分析研究，對頂蓋、座環(huán)和聯(lián)接螺栓的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強度計算，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)設(shè)計水平，對仙居頂蓋座環(huán)聯(lián)接螺栓的強度選用進(jìn)行評估，并提出建議。針對頂蓋與座環(huán)聯(lián)接體的剛強度分析，現(xiàn)有計算模型更多采用單個部件或周期結(jié)構(gòu)，少有考慮螺栓預(yù)緊力的頂蓋、座環(huán)整體計算模型。

本文以某電站單機容量為45 MW混流式水輪機頂蓋、座環(huán)及其聯(lián)接螺栓為研究對象，采用ANSYS有限元分析軟件，建立頂蓋、座環(huán)及其聯(lián)接螺栓全三維幾何模型，并加載與實際工況下聯(lián)合受力邊界條件一致的載荷，進(jìn)行頂蓋及其聯(lián)接螺栓變形與應(yīng)力分析計算，計算結(jié)果表明該電站水輪機頂蓋及其聯(lián)接螺栓剛度滿足相關(guān)標(biāo)注和行業(yè)設(shè)計要求。

1 水輪機頂蓋、座環(huán)聯(lián)接體受力特點

水輪發(fā)電機組運行時，頂蓋主要承受活動導(dǎo)葉、水導(dǎo)軸承、主軸密封、控制環(huán)、接力器等部件的重力[8]；頂蓋下腹板的過流面承受轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)與上冠頂部之間的隨機組運行工況改變而變化的水壓載荷；頂蓋的上環(huán)板和下腹板的活動導(dǎo)葉軸承座上還承受活動導(dǎo)葉的支撐力。同時頂蓋與座環(huán)通過螺栓聯(lián)接，頂蓋還承受座環(huán)形變及螺栓預(yù)緊載荷。機組甩負(fù)荷狀態(tài)下頂蓋受力情況見圖1。

圖1 機組甩負(fù)荷狀態(tài)下頂蓋受力情況

2 頂蓋與座環(huán)全三維有限元計算模型

2.1 頂蓋與座環(huán)及其聯(lián)接螺栓幾何模型及網(wǎng)格

該水電站裝有單機容量為45 MW的水力發(fā)電機組3臺，在上游調(diào)壓室內(nèi)分岔后采用單元供水方式，水輪機設(shè)計水頭54 m，頂蓋為焊接結(jié)構(gòu)，由兩瓣構(gòu)成，分瓣件通過48個M48×180的螺栓將其合在一起。頂蓋與座環(huán)通過56個M42×90的螺栓與座環(huán)聯(lián)接。分別建立頂蓋、座環(huán)及其聯(lián)接螺栓的三維幾何模型，并進(jìn)行裝配，采用適應(yīng)性更好的四面體網(wǎng)格對裝配體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

裝配體共劃分網(wǎng)格單元約80萬個，節(jié)點數(shù)約361萬個，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性檢查，該套網(wǎng)格滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求，可用于頂蓋、座環(huán)組合體的三維有限元靜力學(xué)計算，各部件材料的力學(xué)性能見表1。

表1 各部件材料的力學(xué)性能

2.2 計算載荷

為校核頂蓋及其聯(lián)接螺栓剛度是否滿足機組運行要求，需考慮甩負(fù)荷緊急停機情況下的最大水壓上升，此部分關(guān)鍵載荷根據(jù)該水電站調(diào)節(jié)保證計算進(jìn)行確定。調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果見表2，確定機組在GK1對應(yīng)工況(最大水頭)，單機發(fā)電額定出力，突然甩負(fù)荷情況下蝸殼壓力達(dá)到最高，最大蝸壓為0.84 MPa，此時頂蓋承受最大蝸殼壓力。頂蓋、座環(huán)及連接螺栓全三維有限元計算以GK1的調(diào)保計算結(jié)果進(jìn)行加載。

表2 調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果

頂蓋各部分載荷計算結(jié)果見表3。

表3 頂蓋各部分載荷計算結(jié)果

聯(lián)接螺栓預(yù)緊力見表4。

表4 聯(lián)接螺栓預(yù)緊力

2.3 載荷施加和邊界條件

座環(huán)下端面由混凝土支撐，接觸部位相對位移很小，故施加固定約束。頂蓋、座環(huán)及其聯(lián)接螺栓受到的載荷按表2的計算結(jié)果進(jìn)行施加。

3 頂蓋、座環(huán)聯(lián)合體計算結(jié)果及分析

3.1 頂蓋變形和應(yīng)力分布

在機組蝸殼壓力達(dá)到最大時的條件下，頂蓋的名義等效應(yīng)力σequ和名義剪切應(yīng)力τ以及最大變形，其最不利條件頂蓋計算結(jié)果見表5。

表5 最不利條件頂蓋計算結(jié)果

3.2 頂蓋、座環(huán)聯(lián)接螺栓應(yīng)力分布

頂蓋與座環(huán)通過56個M42×90的螺栓進(jìn)行聯(lián)接，考慮到螺栓與座環(huán)均為分瓣結(jié)構(gòu)，僅需對一半數(shù)量的聯(lián)接螺栓進(jìn)行分析，依次對不同位置的頂蓋、座環(huán)聯(lián)接螺栓進(jìn)行編號，并對螺栓截面進(jìn)行編號區(qū)分(圖2)。

圖2 對螺栓截面進(jìn)行編號區(qū)分

各螺栓按圖2所示截面提取應(yīng)力數(shù)據(jù)， O點所在位置為+0 mm截面，不同截面處的最大等效應(yīng)力和平均等效應(yīng)力變化情況如圖3、4所示。

圖3 不同截面處的最大等效應(yīng)力

圖4 平均等效應(yīng)力變化情況

從圖3中可以看出，頂蓋與座環(huán)聯(lián)接螺栓等效應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)主要集中在螺栓0～40 mm的區(qū)域內(nèi)，40～90 mm的等效應(yīng)力隨距離增加而逐漸減小。在高應(yīng)力區(qū)靠近螺栓頭部及5號截面(+36 mm)附近應(yīng)力值較高，在1號截面(+2 mm)附近達(dá)到451.67 MPa， 5號截面達(dá)到438.63 MPa，而對應(yīng)的截面平均應(yīng)力并不高，圖4顯示各螺栓高平均應(yīng)力出現(xiàn)在3號截面(+18 mm)和4號截面(+27 mm)，最大值分別為353.12 MPa，352.65 MPa，不同位置上的螺栓各截面的平均應(yīng)力偏差較小。

3.3 頂蓋、座環(huán)分瓣件聯(lián)接螺栓應(yīng)力分布

頂蓋、座環(huán)分瓣件是通過48個M48×180的螺栓把合在一起的，并對每個螺栓不同截面處的應(yīng)力進(jìn)行提取，得到頂蓋、座環(huán)各分瓣件螺栓不同截面位置的最大等效應(yīng)力和平均應(yīng)力分布情況見圖5、6。

(a)座環(huán)

(b)頂蓋圖5 座環(huán)、頂蓋各分瓣件螺栓不同截面位置的最大等效應(yīng)力

從圖5可以看出，無論對于頂蓋還是座環(huán)，各分瓣件聯(lián)接螺栓的截面最大等效應(yīng)力和截面平均應(yīng)力分布情況保持一致，說明分瓣件聯(lián)接螺栓受力較為均勻。同時注意到頂蓋、座環(huán)分瓣件聯(lián)接螺栓截面最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在1號(+2 mm)、2號(+7 mm)和13號(+108 mm)截面附近，截面局部應(yīng)力偏大，而在這三個截面上的平均應(yīng)力并不高，可見在截面附近存在應(yīng)力集中。

3.4 頂蓋、座環(huán)及其聯(lián)接螺栓的強度校核

據(jù)《ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅷ卷第二冊另一規(guī)則》《GB150-2011鋼制壓力容器》以及該電站《水輪機產(chǎn)品說明書》對在升壓工況下許用應(yīng)力的取值要求，確定了頂蓋及其聯(lián)接螺栓的許用應(yīng)力，其中頂蓋的許用等效應(yīng)力和剪切應(yīng)力分別為183 MPa和110 MPa，螺栓許用應(yīng)力、許用截面平均等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力分別為640 MPa、384 MPa、110 MPa。從以上計算結(jié)果來看，各部件應(yīng)力均在允許的安全范圍內(nèi)，該機組各部件剛強度在調(diào)節(jié)保證計算可能出現(xiàn)的升壓情況下能夠滿足要求。

(a)座環(huán)

4 結(jié) 語

頂蓋是水輪機中既有支撐又有過流作用的重要部件，頂蓋及其聯(lián)接螺栓既承受周圍各部件的作用力，又承受隨運行工況而改變的水壓載荷，其剛度對水輪發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定運行至關(guān)重要。通過建模分析，得出以下結(jié)論：

(1)頂蓋、座環(huán)及其聯(lián)接螺栓整體有限元計算模型充分考慮了各部件之間的相互作用，與單個部件的有限元計算相比更能反映實際受力狀態(tài)，計算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

(2)分瓣結(jié)構(gòu)的頂蓋、座環(huán)在升壓工況下，除法蘭螺栓聯(lián)接處，其應(yīng)力和變形值均較小，對本體結(jié)構(gòu)不會造成破壞。不同位置聯(lián)接螺栓的應(yīng)力分布基本保持一致，其應(yīng)力水平未超限，且有一定的安全余量。

(3)相比傳統(tǒng)的聯(lián)接螺栓剛強度校核計算，采用整體結(jié)構(gòu)有限元計算能對螺栓在各種工況下的受力情況有更為細(xì)致地掌握，不僅可為為此類結(jié)構(gòu)關(guān)鍵聯(lián)接部件的剛度計算分析提供解決方案，同時還可為產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供支持。