0 引言
在軸流式水電機組中,頂蓋不僅承擔著轉動部件的重量,機組運行過程中所產生的軸向推力也將通過頂蓋法蘭向周圍混凝土基礎傳遞;同時頂蓋作為過流部件,其過流面承受著水壓力的作用.因此,頂蓋的剛強度性能將直接影響到整臺機組的安全運行[1-2].
本文運用 ANSYS 軟件,對某大型軸流式水輪機頂蓋中存在的結構及動態特性問題,提出合理的改進方案.
1 電站基本參數
該電站的水頭及相關參數如表 1 所示.
水輪機頂蓋材料采用 Q235B,根據 ASME 標準,其材料性能及許用應力如表 2 所示.
附加質量對頂蓋的固有頻率影響很大,為了保證計算的準確性,在分析頂蓋自振頻率時,考慮了頂蓋上的相關部件質量因素,見表 3 所示.
2 有限元模型
2.1 模型
頂蓋屬于周期對稱結構,共有 24 個導葉孔、12 個長筋板和 12 個短筋板.頂蓋外緣法蘭采用雙上法蘭結構把合型式,法蘭之間分布 24 個小筋板.
在有限元模型中,考慮頂蓋結構和載荷分布的周期對稱性,切取包括兩塊幅向筋板 \\(1 長筋板和 1 短筋板\\) 和兩個導葉孔的 1/12 頂蓋扇形區域結構作為計算模型,選取每個節點具有三個自由度的 20節點六面體實體單元 SOLID95 劃分網格以保證計算精度.
頂蓋原結構如圖 1 \\(a\\) 所示,經有限元計算發現此結構存在局部應力過高、水導處徑向剛度較低以及動態特性較差的問題.分析可以知道,長筋板高應力是由于腰孔外側倒角尺寸較小而導致,而短筋板與下環板連接處出現的高應力則是由于此處結構不連續所造成.針對這些問題,本文提出了降低局部應力和提高水導徑向剛度的優化方案,將短筋板底端向內縮小 90 mm,輻向筋板厚度由 50 mm增至 60 mm,同時將長筋板腰孔外側 R=100 mm 倒角增加到 R=250 mm,如圖 1 \\(b\\) 所示.
2.2 邊界條件
在頂蓋剖切出的兩個對稱面上,為使位移協調一致,采用 couple 對偶約束邊界約束條件;同時約束頂蓋雙上法蘭結構中下側法蘭與座環把合螺栓分布圓節點 向自由度,為防止發生剛體位移,任選一節點約束其 向自由度.
2.3 工況及載荷條件
本次計算選取水輪機正常運行工況作為計算工況.工況中活動導葉處于全開狀態,頂蓋受到導葉下軸套的集中力與頂蓋受到的水壓力相對很小,可以忽略不計.因此,認為頂蓋只受到水壓力的作用.
水壓力載荷如表 4 所示.
3 計算結果及分析
3.1 剛強度分析
本文對比分析了原結構與優化后結構在水輪機正常運行工況下的 Von Mises 應力結果.圖 2 是兩種結構的 Von Mises 應力分布圖.原結構最大應力值出現在長筋板腰孔外側,數值是 190.4 MPa.同時,短筋板與下環板連接處應力水平在 169.5 MPa左右,如圖 2 \\(a\\) 所示.這明顯大于材料許用應力值 140 MPa,不符合強度設計要求.
圖 2 \\(b\\) 是優化后結構的 VonMises 應力分布圖.從圖中可知,最高應力出現在法蘭結構約束位置,最大值僅是 67.2MPa,滿足強度設計要求.對比兩種結構綜合變形,分別是 1.179 mm 和 0.979 mm,而頂蓋最大變形一般不超過 0.2D/1 000=1.160 mm[3],原結構不符合剛度設計要求.而優化后結構剛度提高了 17.0%,足以說明優化后結構剛度性能優于原結構,且滿足設計要求.
3.2 徑向剛度分析
在水輪機運行過程中,水導軸承將機組運行中主軸傳來的徑向力和振擺力傳遞給頂蓋水導處,水導的徑向剛度決定著機組主軸的振動.本文運用ANSYS 對兩種方案頂蓋結構進行了水導徑向剛度分析.選取一半頂蓋結構作為計算模型,對稱面上施加對稱約束,法蘭螺栓把合分布圓上約束 r、θ、z 三個方向自由度.設總徑向力為單位力 F0,在水導處節點 R 方向上按余弦分布規律施加徑向力.
圖 3 是兩結構在單位徑向力作用下的徑向變形分布圖,從而獲得兩頂蓋徑向剛度分別為:
原結構頂蓋徑向剛度:
優化后頂蓋徑向剛度:
頂蓋水導結構徑向剛度應滿足大于 1.66×106\\(N/mm\\),顯然,原結構徑向剛度較低,不符合設計標準,優化后結構滿足設計要求.
3.3 自振頻率分析
本文運用 ANSYS 有限元軟件,采用循環對稱子模型方法計算兩個模型頂蓋的自振頻率.在計算過程中增加了活動導葉質量、控制環質量、水導軸承質量和主軸密封質量對頂蓋固有頻率的影響因素,不考慮水的附加質量對頂蓋振動的影響.通過計算得到前 4 階固有頻率振型,頻率值如表 5 所示.圖 4 是頂蓋原結構主要振型圖.
由于壓力脈動的影響,整體軸向振動和節徑數為 的頂蓋自振頻率是水輪機最危險的模態振動.這兩種振動頻率必須避開激振頻率,否則會引起頂蓋甚至整臺機組的共振.引起頂蓋振動的主要激振頻率是:
轉頻與葉片個數的乘積;另外也應避開轉輪與葉片之間的干涉頻率,即由公式 n·Zg±K=m·Zr所確定頂蓋振動的模態.其中活動導葉個數是 24 個,轉輪葉片數是 15 個,可以確定關注的節徑數為 K=3.所以,主要的激振頻率是:轉頻×葉片個數 =125/60×15=31.25Hz;其 3 倍頻為 93.75Hz.
從表 5 中可以看出,原結構軸向振動頻率與轉頻與葉片個數乘積相等,節徑數 K=3的六瓣振型頻率與 3 倍頻接近,這說明原結構存在極大的共振可能,動態特性較差.而優化后結構的固有頻率能夠避開激振頻率,且避開范圍大于 10%,不會引起機組共振現象.
4 結語
本文運用 ANSYS 軟件,對某軸流式水輪機頂蓋進行了優化設計,從頂蓋剛強度、水導徑向剛度及動態特性三方面對原方案和改進方案做了分析對比,結果表明:優化后方案在剛強度、徑向剛度及動態特性方面均優于原始結構,滿足設計要求,同時固有頻率有效的避開了激振頻率,不會引起共振現象.
參考文獻
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