电站蜗壳座环刚强度的计算及分析

李成峰， 陈元林

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040；2.哈尔滨大电机研究所，哈尔滨150040）

1 引 言

在水轮机的结构设计过程中，刚强度计算必不可少，目的是为了检验蜗壳座环刚强度是否满足许用要求。本文以国外某电站混流式水轮机埋入部件为例，对蜗壳座环的刚强度进行计算分析。采用了ANSYS 软件和解析法对水轮机蜗壳座环的刚强度进行了计算分析，从而对水轮机蜗壳座环的结构设计提供技术依据。

2 基本参数

水轮机额定出力为56.14MW；机组中心安装高程为450.4m；额定水头Hr=128m；最大水头Hmax=137.8m；升压水头（H＋ΔH）＝178.6m；固定导叶高度b=570mm。

3 蜗壳座环材料及许用应力

该电站水轮机蜗壳座环各部件的材料特性及许用应力见表1。

用户提出的许用应力是指机组正常运行工况下计算所得工作平均应力的允许值。这里采用有限元法进行分析，将得到结构的局部应力和应力分布，应给出不同的许用应力标准。可分以下2 种情况进行处理。

表1 电站水轮机蜗壳座环材料特性及许用应力

3.1 对应某截面算得的平均应力的许用应力选取

座环的许用应力一般按用户提出的要求以及ASME8-1 标准选取。用户要求，在设计载荷条件下，最大薄膜应力应小于固定导叶中间剖面的平均应力UTS/5。按照美国ASME 锅炉与压力容器标准，蜗壳设计的许用应力为：Min（UTS/3.5，2YS/3）。

表2 ASME8-1 许用应力和用户要求的许用应力/MPa

3.2 选取由有限元法计算得到的局部应力的许用应力

按照有限元法计算得出的局部应力，以及ASME 的分析应力准则，将应力分类如下：初次薄膜应力Pm，初次局部应力（不连续但没有应力集中）PL，初次弯曲应力Pb，二次薄膜应力+不连续的弯曲应力Q，设计的参考应力为

不同应力的许用应力定义为Pm＜Sm，PL+Pb＜1.5Sm，PL+Pb＋Q＜3Sm。

在特殊工况下（打压试验条件下），蜗壳的许用应力取为：Pm＜0.9σs，Pm＋Ps＜1.35σs。

ASME 许用应力和用户文件中的平均应力对比见表3。

表3 ASME 标准许用应力及标书中要求的平均应力/MPa

对于地震这种极端工况下的许用应力，各应力相应放大1.33 倍。

4 蜗壳座环刚强度计算分析

4.1 解析法计算

解析法计算将得到蜗壳座环各部件的平均应力，解析法计算时，选用初次薄膜应力（平均应力）为考核依据。计算采用程序Probac.xls 完成。

（1）载荷。本次解析法计算考虑了水轮机在升压工况下的情形。该工况下，蜗壳受到的水压力为：

其中，H＋ΔH 为升压水头。

顶盖对座环向上的总拉力F＝2910000N。

（2）计算结果

此蜗壳结构从第0 节到20 节为圆形蜗壳所计算的结果，因此使用解析法进行计算，从表4 计算结果中可以看出，该电站蜗壳座环刚强度满足材料许用应力要求。

表4 升压水头工况下解析法计算结果

4.2 有限元法计算

（1）计算模型及边界条件。根据蜗壳座环的结构特点，蜗壳进口段（第1 断面）的应力最大，以该扇形区域为计算对象，不考虑混凝土联合受力的影响。选取包含具有1 个完整固定导叶在内的360°/24 扇形区域为分析模型。全部采用SOLID95 单元和SOLID92 单元划分网格，共划分25621 个单元，86241 个节点。在切开断面处，施加周期对称边界条件。在座环基础把合螺栓分布圆处，约束相应节点的所有自由度。

（2）计算工况及载荷。蜗壳座环的计算载荷不考虑机组重力、混凝土重力、蜗壳及水体的重力。表5 给出了该电站水轮机蜗壳座环的计算工况和载荷。

表5 蜗壳座环计算工况及载荷及各部件的最大应力和变形

（3）计算结果及分析。蜗壳座环的有限元分析，重点检查蜗壳本体、固定导叶等的平均应力和局部应力，表5 列出了蜗壳座环各板件的最大应力、平均应力及总变形。

上述计算结果是通过有限元得到的各部件的局部应力，满足ASME 标准规定的许用应力要求。

5 结 论

通过以上解析法和有限元分析计算表明，此电站蜗壳座环刚强度满足许用要求。