带圆筒阀的水轮机顶盖轴向刚度主要影响因素分析

庞立军, 钟 苏

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

带圆筒阀的水轮机顶盖轴向刚度主要影响因素分析

庞立军, 钟 苏

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

本文从板厚配置、拓扑结构、几何尺寸三个方面系统地阐述了带圆筒阀的水轮机顶盖轴向刚度主要影响因素。了解和掌握这些因素，对于有效控制带圆筒阀的水轮机顶盖的轴向变形具有重要的指导意义。

圆筒阀; 顶盖; 轴向刚度

1 前言

水轮机采用圆筒阀结构可以在停机过程中有效地保护导水机构和减少电站的漏水损失，目前，我国已有大潮山、漫湾、小湾、光照等水电站采用了圆筒阀结构。在建的瀑布沟、锦屏一级、锦屏二级、糯扎渡和溪洛渡等大型水电站均将采用这种结构。由于圆筒阀设置在顶盖与座环上环形成的空腔内，顶盖需要采用上法兰结构，法兰外径与普通上法兰结构的顶盖相比尺寸要大得多，而且顶盖的外环板直到法兰密封处要承受上游侧的水压力，使箱式结构的顶盖受力成悬臂梁结构，在一定程度上加大了顶盖的轴向变形。因此，保证带圆筒阀的水轮机顶盖的轴向刚度成为设计过程中的一个突出问题。

本文以某水电站带圆筒阀的水轮机顶盖为例，从板厚配置、拓扑结构和几何尺寸三个方面系统地分析了带圆筒阀的水轮机顶盖轴向刚度的主要影响因素。

2 顶盖结构

某水电站带圆筒阀的水轮机顶盖有限元模型如图1所示，从整体结构上看基本属于箱式结构。在板厚配置上，各个板件厚度见表1；在拓扑结构上，顶盖为上法兰型式，长短幅向筋板各12条，设有外环板；在几何尺寸上，顶盖高度 h=1830mm，法兰螺栓分布圆直径 D=9880mm，止漏环直径 d=6628mm。用来分析此顶盖的某水电站主要参数如下：

图1 顶盖有限元模型

3 顶盖轴向刚度的主要影响因素分析

通常情况下，顶盖在正常运行工况下的轴向变形较大，因此，在有限元分析过程中仅以正常运行工况为例。图 2为顶盖在正常运行工况下的轴向变形，最大轴向变形δ=3.73mm。以下从三个方面对顶盖轴向刚度的主要影响因素进行深入探讨。

3.1 板厚配置因素

应用 I-DEAS程序的板厚优化技术对顶盖的各个板件进行变量化分析，通过变量化分析来寻找到影响顶盖轴向变形的板厚因素。顶盖各板厚如表1所示。

表1中T1～T10为分析参数（与图1所示各板件相对应），以 T表示板件厚度，厚度变化范围为[0.8T，1.2T]。

图2 顶盖在水轮机工况时的轴向变形

表1 顶盖各板件厚度 mm

应用有限元分析模型对板件厚度参数进行变量化分析，随着顶盖各板厚度变化，最大轴向变形变化趋势曲线如图3所示，最大轴向变形变化幅度如图4所示，图中的结果是对应某板厚变化而其他板厚为初始值时的最大变形的变化幅度。

图3 最大轴向变形变化趋势曲线

从图 3中可以看出，在所有板厚参数中，法兰板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）对顶盖轴向变形的影响最大，随着法兰板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）的增大，最大轴向变形呈明显下降趋势，其他板件厚度对顶盖的轴向变形影响很小；从图 4中可以看出，法兰板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）由最小值增大到最大值，最大轴向变形的降幅分别为 0.69mm和0.85mm；其他板件厚度变化对轴向变形的影响幅度都在0.2mm以下。由此可见，法兰板厚度T1和外上面板厚度 T2是顶盖轴向变形的主要板厚影响参数。因此，对于带圆筒阀的水轮机顶盖设计，保证法兰板厚度和外上面板厚度是增强顶盖轴向刚度的重要因素。

图4 最大轴向变形变化幅度直方图

3.2 结构拓扑因素

顶盖受到的所有外载荷都将通过法兰传递给座环至混凝土基础，因此，法兰的拓扑结构对顶盖的轴向刚度影响很大；外环板与法兰相连，它对顶盖的轴向刚度影响与法兰型式有关；幅向筋板的数量一般为导叶孔数或导叶孔数的1/2，幅向筋板承受着主要的剪切变形。

由于带圆筒阀的水轮机顶盖受到结构型式限制，必须采用上法兰结构，因此，在拓扑型式上可以考虑单上法兰、双上法兰或在单上法兰板上面增加48块小筋板的结构，双上法兰结构如图5所示；采用双上法兰结构时，在法兰中间加48块小筋板；对于幅向筋板来说，在拓扑型式上可以对筋板数量和厚度进行改变；外环板在拓扑结构上没有变化，只能从厚度上加以考虑；应用I-DEAS程序所得计算结果如表2所示。

图5 顶盖双上法兰结构

表2 顶盖拓扑因素对轴向刚度的影响 mm

由表 2可见，采用双上法兰结构，在一定程度上可以提高顶盖的轴向刚度，同时导叶孔处的轴向变形降低明显。当两块法兰板均用100mm厚时，顶盖的轴向刚度增加12.8%；当上法兰板厚度为200mm，下法兰板厚度为100mm时，顶盖的轴向刚度增加18.5%；当上法兰板厚度为 100mm，下法兰板厚度为 200mm时，顶盖的轴向刚度增加 15%。这说明当采用双上法兰时，上面的法兰板要设计厚些，对提高顶盖的轴向刚度更有帮助。当增加两法兰中间小筋板的厚度，同时减小下法兰板的厚度时，顶盖的轴向刚度增加20.1%，说明小筋板的薄厚在双上法兰结构中作用明显。然而，当两个法兰板间的高度由 380mm降低到180mm时，顶盖的轴向刚度相对降低了近26%，说明两法兰板之间的高度对顶盖的轴向刚度影响很大。因此，在顶盖设计过程中，在顶盖高度允许的情况下应尽量使两法兰板间的高度大一些更合理。从顶盖的轴向变形上看，当在原方案的法兰板上面增加48块小筋板后，顶盖的轴向变形没有明显变化，这说明在原方案的法兰板上面增加筋板不能有效提高顶盖的轴向刚度。

从幅向筋板的型式上看，减少筋板数量对顶盖的轴向变形影响显著，其刚性减幅达 31.1%以上，如果把12条短筋板也改为长筋板，顶盖的刚性略有升高，但效果甚微，不足1.3%；当把所有筋板厚度减半和减少一半筋板数量相比，发现两者效果完全不一样，其轴向刚性下降的幅度前者约是后者的2/3。这一结果表明，在顶盖设计中宁可使筋板薄一些，也要保证幅向筋板的数量与导叶孔数一致。

对于外环板的厚度因素，增加或减少厚度对顶盖的轴向刚度影响在5%左右，这一数值与本文第3.1节板厚配置因素中所得到的计算结果相吻合。

3.3 结构几何因素

顶盖的几何尺寸因素主要包括：顶盖的高度，法兰把合螺栓分布圆直径，止漏环直径等因素。应用I-DEAS程序的几何优化技术，通过改变以上几何尺寸因素的数值计算所得结果见表3。

表3 顶盖几何因素对轴向刚度的影响

从表 3可见，在结构几何影响因素中，法兰把合螺栓分布圆直径影响最大，顶盖高度影响其次，止漏环直径影响较小，不足4%。当法兰把合螺栓分布圆直径减小180mm，顶盖刚性增加19.5%，相反地，当法兰把合螺栓分布圆直径增大 150mm，顶盖刚性降低37.3%。因此，在带圆筒阀的水轮机顶盖设计中，应在保证圆筒阀布置空间的前提下使顶盖法兰把合螺栓分布圆直径尽量设计到最小尺寸；同时，顶盖高度的合理增加对提高顶盖刚性作用也比较明显，如果顶盖高度设计偏低，顶盖的刚性将下降明显。

4 结论

带圆筒阀的水轮机顶盖轴向刚度的主要影响因素可以从板厚配置、拓扑结构和几何尺寸三个方面来考虑。

（1）在板厚配置因素上，法兰板和外上面板厚度对顶盖轴向刚度影响最大，在设计过程中保证法兰板和外上面板厚度是增强顶盖轴向刚性的重要因素。

（2）在拓扑类因素中，双上法兰结构相对于单上法兰结构来说在一定程度上可以提高顶盖的轴向刚度，同时可使导叶孔处的轴向变形降低明显。在双上法兰结构中，适当增加上面的法兰板厚度、小筋板厚度和两法兰板之间的高度对提高顶盖的轴向刚度效果明显。在原方案的法兰板上面增加小筋板对提高顶盖轴向刚度作用不大。

（3）在拓扑类因素中，筋板数量与导叶孔数要保持一致，根据实际情况可以使用长短筋板或全部使用长筋板，可以有效提高顶盖轴向刚性。

（4）在结构几何因素中，法兰把合螺栓分布圆直径对顶盖轴向刚度影响最大，把合螺栓分布圆直径设计得越小，顶盖轴向刚性越强，反之则越弱；其次是顶盖高度，合理增加顶盖高度对提高顶盖轴向刚度十分必要。

[1] 廖日东. I-DEAS实例教程-有限元分析[M], 北京:北京理工大学出版社, 2003.

[2] 钟苏. 影响混流式水轮机顶盖刚强度的主要因素分析[J]. 大电机技术, 1995, (3): 36-40.

The Main Factors Analysis for the Axial Stiffness of Ring Gate Structure Turbine Head Cover

PANG Li-jun，ZHONG Su
( Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China )

The main factors for the axial stiffness of ring gate structure turbine head cover are expounded systematically in the aspects of thickness of plate， topological structure, geometry in this paper. Understanding and holding these, it is significant to control availably axial transmutation of ring gate stru cture turbine head cover.

ring gate; head cover; axial stiffness

TK730.2

B

1000-3983（2010）01-0054-04

2008-09-03

庞立军（1976-），2000年毕业于哈尔滨理工大学机械设计专业，现从事水轮机结构部件刚强度与动态特性研究工作，工程师。