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1、某軸流式水輪機(jī)頂蓋有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)賈偉1,2,李建偉1,2,劉晶石1,2,呂桂萍1,2 (1,水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150040;2,哈爾濱大電機(jī)研究所,哈爾濱 150040) Finite Element Analysis and Improved Scheme for Head Cover of Axis Hydraulic TurbineJIA Wei1,2,LI Jian-wei1,2,LIU Jing-shi1,2,LV Gui-ping1,2(1.State Key Laboratory of Hydropower Equipment,Harbin 15004
2、0,China; 2. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040,China )ABSTRACT: The results of strength and dynamic characteristics analyses for head cover of a large axial flow turbine show that the original structure has serious structural problems and poor dynamic characteristics, so t
3、hat the resonance is most likely to occur. Proposed improvement scheme has better strength performance and dynamic characteristics, and it meets strength and dynamic characteristics of the design requirements.KEY WORD: axial flow turbine;head cover;ANSYS; dynamic characteristic摘要:運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)某大型軸流式水輪機(jī)
4、頂蓋進(jìn)行剛強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性分析表明,原結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)問(wèn)題,同時(shí)動(dòng)態(tài)特性較差存在引起共振的可能。提出的改進(jìn)方案具有更好的剛強(qiáng)度性能及動(dòng)態(tài)特性,滿足剛強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞:軸流式水輪機(jī);頂蓋;ANSYS;動(dòng)態(tài)特性基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 (2012BAF12B16-1) The National Science and Technology Support Program (2012BAF12B16-1).1 引言在軸流式水電機(jī)組中,頂蓋不僅承擔(dān)著轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量,機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的軸向推力也將通過(guò)頂蓋法蘭向周圍混凝土基礎(chǔ)傳遞;同時(shí)頂蓋作為過(guò)流部件,其過(guò)流面承受著水壓力的作用。
5、因此,頂蓋的剛強(qiáng)度性能將直接影響到整臺(tái)機(jī)組的安全運(yùn)行1-2。本文運(yùn)用ANSYS軟件,對(duì)某大型軸流式水輪機(jī)頂蓋中存在的結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題,提出合理的改進(jìn)方案。2 電站基本參數(shù)該電站的水頭及相關(guān)參數(shù)如表1所示。表1 水電站主要參數(shù)Tab.1 Main data of hydropower station 參數(shù)數(shù)值額定水頭h112m額定轉(zhuǎn)速n125r/min轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)Zr15個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉個(gè)數(shù)Zg24個(gè)導(dǎo)葉分布圓直徑D5800mm水輪機(jī)頂蓋材料采用Q235B,根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn),其材料性能及許用應(yīng)力如表2所示。表2 底環(huán)材料特性表Tab.2 Material properties table材料 屈服極限
6、/MPa強(qiáng)度極限/MPa許用應(yīng)力/MPaYsUTS平均應(yīng)力局部應(yīng)力Q235B235375UTS/4=931.5UTS/4=140附加質(zhì)量對(duì)頂蓋的固有頻率影響很大,為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,在分析頂蓋自振頻率時(shí),考慮了頂蓋上的相關(guān)部件質(zhì)量因素,見表3所示。表3 各部件質(zhì)量Tab.3 Quality of parts 部件質(zhì)量/t活動(dòng)導(dǎo)葉2.5控制環(huán)13水導(dǎo)軸承15主軸密封3.63 有限元模型3.1 模型頂蓋屬于周期對(duì)稱結(jié)構(gòu),共有24個(gè)導(dǎo)葉孔、12個(gè)長(zhǎng)筋板和12個(gè)短筋板。頂蓋外緣法蘭采用雙上法蘭結(jié)構(gòu)把合型式,法蘭之間分布24個(gè)小筋板。在有限元模型中,考慮頂蓋結(jié)構(gòu)和載荷分布的周期對(duì)稱性,切取包括兩塊幅向
7、筋板(1長(zhǎng)筋板和1短筋板)和兩個(gè)導(dǎo)葉孔的1/12頂蓋扇形區(qū)域結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型,選取每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度的20節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元SOLID95劃分網(wǎng)格以保證計(jì)算精度。頂蓋原結(jié)構(gòu)如圖A 1(a)所示,經(jīng)有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)存在局部應(yīng)力過(guò)高、水導(dǎo)處徑向剛度較低以及動(dòng)態(tài)特性較差的問(wèn)題。分析可以知道,長(zhǎng)筋板高應(yīng)力是由于腰孔外側(cè)倒角尺寸較小而導(dǎo)致,而短筋板與下環(huán)板連接處出現(xiàn)的高應(yīng)力則是由于此處結(jié)構(gòu)不連續(xù)所造成。針對(duì)這些問(wèn)題,本文提出了降低局部應(yīng)力和提高水導(dǎo)徑向剛度的優(yōu)化方案,將短筋板底端向內(nèi)縮小90mm,輻向筋板厚度由50mm增至60mm,同時(shí)將長(zhǎng)筋板腰孔外側(cè)R=100mm倒角增加到R=250mm,如圖
8、A1(b)所示。(a)原模型(b)優(yōu)化后模型圖A1 有限元模型及網(wǎng)格劃分圖Fig. 1 The finite element model and meshing diagram3.2 邊界條件在頂蓋剖切出的兩個(gè)對(duì)稱面上,為使位移協(xié)調(diào)一致,采用couple對(duì)偶約束邊界約束條件;同時(shí)約束頂蓋雙上法蘭結(jié)構(gòu)中下側(cè)法蘭與座環(huán)把合螺栓分布圓節(jié)點(diǎn)向自由度,為防止發(fā)生剛體位移,任選一節(jié)點(diǎn)約束其向自由度。3.3 工況及載荷條件本次計(jì)算選取水輪機(jī)正常運(yùn)行工況作為計(jì)算工況。工況中活動(dòng)導(dǎo)葉處于全開狀態(tài),頂蓋受到導(dǎo)葉下軸套的集中力與頂蓋受到的水壓力相對(duì)很小,可以忽略不計(jì)。因此,認(rèn)為頂蓋只受到水壓力的作用。水壓力載荷如表
9、3所示。表4 正常工況載荷列表Tab.4 The load of normal operation condition載荷P1/MPaP2/MPaP3/MPaP4/MPa正常運(yùn)行工況1.3120.9290.9290.213P1:蝸殼、座環(huán)與導(dǎo)葉之間的壓力P2:導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的壓力P3:轉(zhuǎn)輪進(jìn)水半徑與上密封之間的壓力P4:轉(zhuǎn)輪上密封與主軸密封之間的水壓力4 計(jì)算結(jié)果及分析4.1 剛強(qiáng)度分析本文對(duì)比分析了原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)在水輪機(jī)正常運(yùn)行工況下的Von Mises應(yīng)力結(jié)果。圖A2是兩種結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力分布圖。原結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在長(zhǎng)筋板腰孔外側(cè),數(shù)值是190.4MPa。同時(shí),短筋板與下
10、環(huán)板連接處應(yīng)力水平在169.5MPa左右,如圖A2(a)所示。這明顯大于材料許用應(yīng)力值140MPa,不符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。(a)原結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力分布圖(b)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力分布圖A2 兩結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力分布圖(單位/MPa)Fig. 2 Von Mises stress distribution diagram at normal operation condition(unit: MPa)圖A2(b)是優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的Von Mises應(yīng)力分布圖。從圖中可知,最高應(yīng)力出現(xiàn)在法蘭結(jié)構(gòu)約束位置,最大值僅是67.2MPa,滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)綜合變形,分別
11、是1.179mm和0.979mm,而頂蓋最大變形一般不超過(guò)0.2D/1000=1.160mm3,原結(jié)構(gòu)不符合剛度設(shè)計(jì)要求。而優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度提高了17.0%,足以說(shuō)明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)剛度性能優(yōu)于原結(jié)構(gòu),且滿足設(shè)計(jì)要求。4.2 徑向剛度分析在水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,水導(dǎo)軸承將機(jī)組運(yùn)行中主軸傳來(lái)的徑向力和振擺力傳遞給頂蓋水導(dǎo)處,水導(dǎo)的徑向剛度決定著機(jī)組主軸的振動(dòng)。本文運(yùn)用ANSYS對(duì)兩種方案頂蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水導(dǎo)徑向剛度分析。選取一半頂蓋結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型,對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束,法蘭螺栓把合分布圓上約束r、z三個(gè)方向自由度。設(shè)總徑向力為單位力,在水導(dǎo)處節(jié)點(diǎn)R方向上按余弦分布規(guī)律施加徑向力。(a)原結(jié)構(gòu)(b)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)
12、圖A3 頂蓋在單位徑向力作用下的徑向變形分布(單位/mm)Fig. 3 The radial deformation distribution of head cover under the unit of the radial force(unit:mm)圖A3是兩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)頂蓋徑向剛度:優(yōu)化后頂蓋徑向剛度:頂蓋水導(dǎo)結(jié)構(gòu)徑向剛度應(yīng)滿足大于,顯然,原結(jié)構(gòu)徑向剛度較低,不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),優(yōu)化后結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。4.3 自振頻率分析本文運(yùn)用ANSYS有限元軟件,采用循環(huán)對(duì)稱子模型方法計(jì)算兩個(gè)模型頂蓋的自振頻率。在計(jì)算過(guò)程中增加了活動(dòng)
13、導(dǎo)葉質(zhì)量、控制環(huán)質(zhì)量、水導(dǎo)軸承質(zhì)量和主軸密封質(zhì)量對(duì)頂蓋固有頻率的影響因素,不考慮水的附加質(zhì)量對(duì)頂蓋振動(dòng)的影響。通過(guò)計(jì)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(jié)構(gòu)主要振型圖。表5 頂蓋固有頻率對(duì)比表Tab.5 Natural frequency of head cover comparison table節(jié)徑數(shù)頻率/Hz振型原始優(yōu)化原始優(yōu)化012331.545.660.396.841.363.478.6120.6軸向兩瓣四瓣六瓣軸向兩瓣四瓣六瓣(a)軸向振型(b)六瓣振型圖A4 頂蓋原結(jié)構(gòu)主要振型圖(單位/Hz)Fig. 4 Main vibration mode of orig
14、inal structure of head cover(unit: Hz)由于壓力脈動(dòng)的影響,整體軸向振動(dòng)和節(jié)徑數(shù)為的頂蓋自振頻率是水輪機(jī)最危險(xiǎn)的模態(tài)振動(dòng)。這兩種振動(dòng)頻率必須避開激振頻率,否則會(huì)引起頂蓋甚至整臺(tái)機(jī)組的共振。引起頂蓋振動(dòng)的主要激振頻率是:轉(zhuǎn)頻與葉片個(gè)數(shù)的乘積;另外也應(yīng)避開轉(zhuǎn)輪與葉片之間的干涉頻率,即由公式所確定頂蓋振動(dòng)的模態(tài)。其中活動(dòng)導(dǎo)葉個(gè)數(shù)是24個(gè),轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)是15個(gè),可以確定關(guān)注的節(jié)徑數(shù)為。所以,主要的激振頻率是:轉(zhuǎn)頻×葉片個(gè)數(shù)=125/60×15=31.25Hz;其3倍頻為93.75Hz。從表5中可以看出,原結(jié)構(gòu)軸向振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)頻與葉片個(gè)數(shù)乘積相等,節(jié)徑數(shù)的六瓣振型頻率與3倍頻接近,這說(shuō)明原結(jié)構(gòu)存在極大的共振可能,動(dòng)態(tài)特性較差。而優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的固有頻率能夠避開激振頻率,且避開范圍大于10%,不會(huì)引起機(jī)組共振現(xiàn)象。5 結(jié)語(yǔ)本文運(yùn)用ANSYS軟件,對(duì)某軸流式水輪機(jī)頂蓋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),從頂蓋剛強(qiáng)度、水導(dǎo)徑向剛度及動(dòng)態(tài)特性三方面對(duì)原方案和改進(jìn)方案做了分析對(duì)比,結(jié)果表明:優(yōu)化后方案在剛強(qiáng)度、徑向剛度及動(dòng)態(tài)特性方面均優(yōu)于原始結(jié)構(gòu),滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)固有頻率有效的避開了激振頻
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