水电站厂房风罩温度应力分析

杨 娟

（陕西华禹水利水电勘察设计有限公司，陕西西安 710000）

1 引言

风罩作为水轮发电机的重要组成部分，其承受的主要荷载有结构自重、发电机层楼板传来的荷载、发电机上支架千斤顶水平推力、发电机层楼板在发电机产生短路扭矩时施于风罩的约束扭矩以及温度应力等。风罩结构在各种荷载的作用下受力十分复杂，对其进行应力分析，以保证风罩结构的安全稳定是一项非常重要的技术工作。

在对温度应力分析基础理论进行简述的基础上，结合工程实例，采用大型有限元分析软件AN⁃SYS，分2 种不同工况对某水电站水轮机风罩的温度应力进行分析，并根据分析结果，提出应对措施。

2 热应力分析的理论及方法

2.1 热应力分析理论

热传导、热对流及热辐射是运用ANSYS软件开展热分析的3种热传递方式。

2.1.1 热传导

热传导是完全接触的2 个物体之间或1 个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换，遵循傅里叶定律：

式中：q″为热流密度（W/m2）；k为导热系数（W/m-℃）。

2.1.2 热对流

热对流是固体的表面与它周围接触的流体之间，由于存在温差而引起的热量交换。热对流有自然对流和强制对流2种形式。热对流遵循牛顿冷却方程：

式中：h为对流换热系数；TS为固体表面温度（℃）；TB为周围流体温度（℃）；其他符号意义同上。

2.1.3 热辐射

热辐射是物体发射电磁能并被其他物体吸收而转变为热量的交换过程。在工程中，通常考虑系统中的2个或2个以上物体之间的辐射，每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净热量传递遵循斯蒂芬—波尔兹曼方程：

式中：q为热流率（W）；ε为辐射率（Gy/h）；σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数，约为5.67×10-8W/（m2·K4）；A1为辐射面1的面积（m2）；F12为由辐射面1到辐射面2的形状系数；T1为辐射面1的绝对温度（℃）；T2为辐射面2的绝对温度（℃）。

2.2 热应力分析方法

在运用ANSYS 软件进行热分析时，传热形式可分为如下2种。

2.2.1 稳态传热

若流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量，即系统的净热流率为0，则系统处于热稳态，表现为系统温度场不随时间变化。在稳态热分析中，任何一个节点的温度不随时间发生变化。稳态热分析的能量平衡方程为（以矩阵形式表示）：

式中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；{T}为节点温度向量；{Q} 为节点热流率向量，包含热生成；[K]、{T}以及{Q} 在ANSYS中可由模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件等约束来生成。

2.2.2 瞬态传热

瞬态传热过程是指在一个系统的加热或冷却过程中，系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能等随时间变化均有明显变化，表现为系统温度场随时间明显变化。根据能量守恒原理，瞬态热平衡可以用矩阵形式表示为：

式中：[K]为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；[C]为比热矩阵，考虑系统内能的增加;{T}为节点温度向量；{T˙}为温度对时间的导数；{Q}为节点热流率向量，包含热生成。

在分析某水电站风罩温度应力时采用间接法，即在节点温度未知的情况下，首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体荷载施加到结构分析中节点上。间接法的具体求解步骤如下：①首先使用传导、对流、辐射及表面效应单元等进行稳态或瞬态热分析；②重新进入前处理，将热单元转换为相应的结构单元；③定义弹性模量、泊松比等结构分析所需的材料属性以及节点耦合、约束方程等其他前处理选项；④读入热分析的节点温度；⑤定义参考温度；⑥进行结构分析；⑦开展后处理。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

某水电站厂房位于嘉陵江河道左侧，为坝后式厂房，其右侧为底孔溢流坝段。电站发电水头范围为85.40～62.63 m，装机容量1 100 MW，安装4 台混流式水轮发电机组，单机容量275 MW，机组装机高程366.60 m，水轮机直径6.65 m。

电站厂房轴线与坝轴线平行，电站厂房机组中心线距坝轴线115.63 m，厂坝分缝线距坝轴线100.68 m，电站厂房沿坝轴线方向总长161.80 m，其中主厂房机组段长114.80 m、安装场段长47.00 m，安装场布置在主厂房左侧。该水电站厂房结构尺寸较大，为了加强厂房结构的刚度和强度，整个厂房混凝土结构采用C25混凝土。

主厂房主要有发电机层、水轮机层、水轮机井进人廊道、蜗壳进人廊道、锥管进人孔、操作廊道层以及排水廊道等。主厂房发电机层楼面高程为384.20 m，该层主要布置有发电机励磁控制盘柜以及水轮机调速控制盘柜等机电控制盘柜，在发电机组上下游分别布置1个吊物孔和楼梯。

3.2 计算模型边界与计算工况

3.2.1 计算模型及边界条件

计算模型边界为：厂房高度从374.8 m 高程起，到384.2 m高程止；高程374.8 m底部位移全约束，上下游边界施加法向约束。

3.2.2 计算工况

通风冷却系统分析设计空气温升为25.7 ℃，混凝土夏天浇筑，则混凝土稳定温度t＝24 ℃，作用于风罩上的温度值初步拟定如下2 种工况：①夏天浇筑，夏天运行，风罩内温度为35.7 ℃，风罩外温度为30 ℃，均匀温差8.85 ℃，内外温差-5.7 ℃；②夏天浇筑，冬天运行，风罩内温度为35.7 ℃，风罩外温度为10 ℃，均匀温差-1.15 ℃，内外温差-25.7 ℃。

综合以上2种工况，温度应力计算时所需考虑的相关荷载包括：结构自重；发电机层荷载5 t/m2，均匀分布于发电机层楼板；发电机上机架水平支撑的荷载，即水平径向22 t、水平切向73 t（单个基础力）；温度影响力。

3.3 温度应力计算及配筋建议

3.3.1 温度应力计算

以上2 种工况中，进行温度计算时均以混凝土稳定温度为基准参考温度，分别将以风罩内外温度与基准温度的差值温度施加于风罩内外节点进行计算，同时拟定混凝土导热系数λ=10.09 kJ/(m·h·oC)。

（1）工况1。以混凝土稳定温度t＝24 ℃为标准，令t1=0 ℃，t内=11.7 ℃，t外=6 ℃，则稳定温度场和第一受拉应力，如图1—2所示。

图1 温度场分布

图2 拉应力分布

（2）工况2。以混凝土稳定温度t＝24 ℃为标准，令t1=0 ℃，t内=11.7 ℃，t外=-14 ℃，则稳定温度场和第一受拉应力，如图3—4所示。

图3 温度场分布

3.3.2 结果分析

（1）工况1作用下，风罩内壁大部分处于受压状态，仅在风罩底部与机墩连接处结构受拉，该处拉应力小于0.8 MPa；风罩外壁均处于受拉状态，拉应力水平较低，在0.8 MPa以下，只是在风罩与发电机层楼板连接处出现稍大拉应力，最大拉应力值达到1.5 MPa；风罩最大变形为1.0 mm。

（2）工况2 作用下，风罩内壁均处于受压状态，而外壁均处于受拉状态，且拉应力水平较高，最大拉应力出现在风罩中下部，最大拉应力值达到5.0 MPa；风罩最大变形为0.5 mm。

图4 拉应力分布

（3）综合以上分析，工况1 基本处于安全状况；工况2出现的拉应力值均较高，为控制工况，应采取加强配筋措施，建议在风罩内外壁各布置1 层环向筋与竖向筋，以保证结构安全。

4 结语

温度应力对于混凝土结构产生的影响是比较大的。通过有限元分析，绘制出结构在温度应力作用下的温度场分布图和拉应力分布图，进而分析了温度应力对于混凝土结构的影响，并据此提出了相应的解决措施以保证结构的安全。经实践检验，加固措施效果良好。