某电站水轮机顶盖结构改进方案有限元分析

刘晶石，钟 苏，庞立军

（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

前言

顶盖是水轮机重要的支撑和过流部件，受到了众多研究人员的重视[1-3]。在结构设计过程中，既要保证其水利性能要求，还要具有良好的刚强度特性和动态特性，以保证机组安全稳定运行。设计顶盖结构时需要兼顾性能与材料成本，所以在设计时往往需要对原始设计方案进行改进，以实现性能与成本的最优化。本文针对某电站水轮机顶盖结构设计中存在的问题，利用有限元法对比分析了顶盖原始设计方案和改进方案的刚强度和动态特性。

表1 电站主要参数

1 基本数据

该电站顶盖原始结构如图1-(a)所示，经有限元计算发现结构存在局部应力过高和动态特性较差的问题。本文针对这些问题，提出了减小局部高应力和提高动态特性的改进结构，如图1-(b)所示。对比两种方案的模型可知其区别在于，改进方案是将辐向筋板外缘半径缩小35mm，并在其外侧增加立板，如图1-(b)圆圈中所示。

该电站水头和转速等主要参数如表1所示。

本文分析顶盖动态特性时考虑了相关部件附加重量对固有频率的影响，涉及到的相关部件重量见表2。

表2 相关部件重量

该电站顶盖材料为Q345B，其材料性能及许用应力如表3所示。

表3 顶盖材料特性表

图1 大坪顶盖有限元计算模型

2 有限元模型

2.1 模型及边界条件

顶盖结构属于周期对称结构，文中顶盖共有 20个导叶孔和10个辐向筋板。利用其对称性切取包含2个导叶孔和 1个筋板在内的 1/10个顶盖作为计算模型，并选择每个节点具有3个自由度的20节点六面体单元SOLID95划分网格。

在顶盖剖切出的两个对称面上施加couple对称边界条件，顶盖法兰与座环把合面螺栓分布圆上约束相应节点自由度。

2.2 工况及载荷

因为水轮机正常运行工况，顶盖承受的载荷最苛刻，所以本文只对水轮机正常运行工况下两种结构的应力水平进行了对比分析。水轮机正常运行工况载荷见表4。

表4 各工况载荷列表

P1——顶盖与座环密封与导叶分布圆之间的水压力；

P2——导叶分布圆与转轮进水半径之间的水压力；

P3——转轮进水半径与上密封之间的水压力；

P4——转轮上密封与主轴密封之间的水压力。

3 结果分析

3.1 刚强度对比

本文对比分析了水轮机正常运行工况下，原始方案和改进方案结构的von mises应力分布和综合变形结果。图2-a)是原始方案顶盖von mises应力分布，可见结构最大应力出现在辐向筋板与上法兰板相交处的端部，最大应力达到354.9MPa，几乎是许用值的两倍，这显然是不符合要求的。图2-b)是改进方案顶盖von mises应力分布，可见结构最大应力出现在辐向筋板、上法兰板和立板相交处，最大应力为120.0MPa，满足许用要求。两种方案顶盖的最大变形分别为0.284mm和0.162mm，说明改进结构的刚度优于原始方案。

3.2 动态特性对比

本文利用ANSYS软件分别计算了两种方案顶盖的动态特性。计算过程中考虑了水导轴承重量、控制环重量、迷宫环密封重量、止漏环重量和活动导叶重量对动态特性的影响。通过有限元计算得到两种方案顶盖的前6阶固有频率如表5所示。

顶盖的固有频率主要应避开转频与叶片个数乘积的激振频率及其倍频。转频与叶片个数的乘积为17×600/60=170Hz，而其倍频为340Hz。

图2 两方案von mises应力对比

表5 顶盖固有频率对比

从表4中顶盖前6阶固有频率可以看出，原始设计方案的第1阶固有频率等于转频与叶片个数乘积的激振频率，第3阶固有频率近似于转频与叶片个数乘积的倍频，说明原始设计方案的动态特性很差，存在极大的共振可能，引起共振的顶盖振型如图3所示。而改进设计方案的前6阶固有频率较好的避开了上述激振频率及其倍频，说明改进方案的动态特性很好，不存在共振可能。

4 结论

利用ANSYS软件，建立了水轮机顶盖原始方案和改进方案的有限元模型，并对两种方案的刚强度和动态特性进行了有限元对比分析。顶盖原始方案 von mises应力最大值超过许用要求一倍，而改进方案应力水平较好、满足许用要求；原始方案动态特性较差，第1和第3阶固有频率分别与转频与叶片个数乘积的激振频率及其倍频相吻合，将会引起共振，而改进方案动态特性较好，可避免发生共振。结果表明：改进方案在刚强度和动态特性方面均优与原始方案。

图3 引起共振的顶盖模态振型

[1]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.

[2]庞立军, 钟苏. 带圆筒阀的水轮机顶盖轴向刚度主要影响因素分析[J]. 大电机技术, 2010(1):54-57.

[3]庞立军. ANSYS优化技术在水轮机顶盖设计中的应用[J]. 上海大中型电机, 2007(4): 7-8.