李國(guó)慧

(浙江富春江水電設(shè)備有限公司，杭州　310013 )

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某圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)聯(lián)合受力研究及其對(duì)比分析

李國(guó)慧

(浙江富春江水電設(shè)備有限公司，杭州310013 )

摘要：選取某水輪發(fā)電機(jī)組圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的真實(shí)結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行了聯(lián)合受力研究，并與傳統(tǒng)單個(gè)部件的分析結(jié)果進(jìn)行了比較，通過對(duì)比可知導(dǎo)水機(jī)構(gòu)聯(lián)合受力分析具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，可為接力器壓緊行程的確定提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：圓柱;導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；有限元法；聯(lián)合分析；ANSYS Workbench

0前言

水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪發(fā)電機(jī)組最為重要的組成部分之一，主要由導(dǎo)葉、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)、環(huán)形部件和軸套、密封等部件組成。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的作用主要是形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪水流的環(huán)量，保證水輪機(jī)具有良好的水力特性，調(diào)節(jié)流量，以改變機(jī)組的出力，正常停機(jī)與事故停機(jī)時(shí)，封住水流，使機(jī)組停止轉(zhuǎn)動(dòng)[1-3]。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中控制環(huán)的操作力是通過導(dǎo)葉連桿、連桿銷傳遞到導(dǎo)葉臂，最終作用在導(dǎo)葉上，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，通過導(dǎo)葉開度變化實(shí)現(xiàn)流量變化，完成機(jī)組調(diào)節(jié)[4]。

傳統(tǒng)上對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，均是對(duì)頂蓋、活動(dòng)導(dǎo)葉、底環(huán)、控制環(huán)等部件進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)算，不考慮部件之間的相互作用，而對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合受力分析尚無先例。雖然單獨(dú)分析時(shí)已盡可能地考慮了所有的載荷，操作方便又節(jié)省時(shí)間；但是因?yàn)闆]有考慮部件與部件之間的相互作用，往往會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中或奇異、變形與實(shí)際情況吻合不好等現(xiàn)象，使得計(jì)算精度有所下降。

現(xiàn)選取某項(xiàng)目圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，采用通用有限元分析軟件ANSYS Workbench[5-8]，對(duì)該導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的剛強(qiáng)度進(jìn)行了聯(lián)合分析，亦對(duì)導(dǎo)葉和環(huán)形部件進(jìn)行了單獨(dú)有限元分析[9-14]，并將聯(lián)合分析和單獨(dú)分析的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，重點(diǎn)探討了導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)和環(huán)形部件對(duì)導(dǎo)葉變形的影響。

1導(dǎo)水機(jī)構(gòu)聯(lián)合受力分析

1.1計(jì)算模型

對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合分析時(shí)，可將其視為周期對(duì)稱模型；本機(jī)組控制環(huán)有2個(gè)大耳朵用以傳遞接力器操作力，為了能夠使用周期對(duì)稱模型必須做必要的簡(jiǎn)化，即人為的忽略2個(gè)大耳朵。這種簡(jiǎn)化“美化”了控制環(huán)的受力，實(shí)際上其受力不是那么的均勻。下一步，預(yù)計(jì)可突破軟、硬件的限制，建立控制環(huán)的真實(shí)模型，且可預(yù)知此模型的結(jié)果更貼近機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況。

為了真實(shí)模擬導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作情況，在控制環(huán)與頂蓋接觸的抗磨板位置、控制環(huán)-連桿機(jī)構(gòu)-導(dǎo)葉臂相互接觸的軸套位置均建立接觸單元(CONTA174、TARGE170)，抗磨板及軸套位置摩擦系數(shù)取0.2，并考慮上、中、下3處軸套位置的真實(shí)間隙值(設(shè)計(jì)間隙)，同時(shí)在導(dǎo)葉高度范圍內(nèi)按計(jì)算工況施加水壓力。為了在降低模型規(guī)模的同時(shí)又保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，網(wǎng)格劃分采用二次六面體實(shí)體單元(Solid186)，板的厚度方向至少劃分2層實(shí)體單元。

計(jì)算分析時(shí)，在頂蓋和座環(huán)的螺栓把合位置施加相應(yīng)的位移約束，在底環(huán)和基礎(chǔ)的螺栓把合位置施加相應(yīng)的位移約束，并在模型的剖切面上施加約束方程。本次分析考慮的是水輪機(jī)在洪水位正常工況停機(jī)，計(jì)算載荷包括導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的重量、軸承及密封的重量、各過流面承受的水壓力分布、接力器傳遞的油壓力。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在各個(gè)載荷的作用下發(fā)生變形并保持著平衡(力和力矩平衡)，根據(jù)此變形可以判斷機(jī)構(gòu)各組成部件的強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，機(jī)構(gòu)的剛度是否滿足要求，兩導(dǎo)葉搭接處的立面間隙是否超標(biāo)，導(dǎo)葉端面間隙是否過大，頂蓋和底環(huán)抗磨板處的徑向變形是否超出預(yù)留的間隙，即轉(zhuǎn)動(dòng)部分和靜止部分是否發(fā)生干涉。

1.2成果分析

為做比較，本文也對(duì)傳統(tǒng)的以單個(gè)部件為分析對(duì)象的有限元模型進(jìn)行了計(jì)算，限于篇幅原因，計(jì)算貼圖在此不再贅加。聯(lián)合分析時(shí)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的變形分布見圖3，活動(dòng)導(dǎo)葉相互搭接處的立面間隙分布見圖4。

圖3　導(dǎo)水機(jī)構(gòu)變形分布圖

圖4　導(dǎo)葉立面間隙分布圖　　單位：mm

根據(jù)圖3、4，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在控制環(huán)上，這是由于控制環(huán)在操作力的作用下發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)連桿、拐臂，再把載荷傳遞到導(dǎo)葉的上軸頭，此載荷與水壓力以及各處的摩擦力相平衡。導(dǎo)葉本體不可能是完全剛性的，在水壓力的作用下本體發(fā)生了彎曲變形，所以本體在高度方向上約中部的位置，立面間隙出現(xiàn)了最大值。

活動(dòng)導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)的變形和應(yīng)力分布見圖5～10。由于對(duì)控制環(huán)做了人為的簡(jiǎn)化，大耳朵處的剛強(qiáng)度無法在聯(lián)合分析中得出，故而這一部分的結(jié)果暫時(shí)只能在單獨(dú)模型分析中體現(xiàn)。

根據(jù)圖5、6，導(dǎo)葉最大位移出現(xiàn)在上軸頭，這是由于控制環(huán)傳來的操作力造成的，由于水壓力的作用，本體在高度方向約中間的部分變形也較大。導(dǎo)葉的最大應(yīng)力出現(xiàn)在本體和上軸的連接部位，是典型的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由于導(dǎo)葉本體的變形也稍大，本體中間部位的應(yīng)力也相應(yīng)的稍大。

圖5　導(dǎo)葉變形分布圖

圖6　導(dǎo)葉應(yīng)力分布圖

圖7　頂蓋變形分布圖

根據(jù)圖7、8,在水壓力和導(dǎo)葉反作用力的雙重作用下，頂蓋最大變形出現(xiàn)在上導(dǎo)葉孔的外緣，下環(huán)板內(nèi)圓處的變形也較大，主要是水壓力的作用。頂蓋的最大應(yīng)力出現(xiàn)在立筋和上部的內(nèi)環(huán)板的連接處，是典型的應(yīng)力奇異現(xiàn)象，可以不予關(guān)注。由于水壓力和導(dǎo)葉反作用力的雙重作用，上部的外環(huán)板和立筋的應(yīng)力也稍大，但整體應(yīng)力并不大。

圖8　頂蓋應(yīng)力分布圖

圖9　底環(huán)變形分布圖

根據(jù)圖9、10,底環(huán)最大位移出現(xiàn)在導(dǎo)葉孔內(nèi)側(cè)，這是由于導(dǎo)葉軸的支反力造成的。底環(huán)最大應(yīng)力出現(xiàn)在下環(huán)板的約束處，是典型的應(yīng)力奇異現(xiàn)象，可以不予關(guān)注。由于導(dǎo)葉支反力的作用，在導(dǎo)葉孔的內(nèi)側(cè)，應(yīng)力也稍大，但底環(huán)的整體應(yīng)力水平較低。

表1列出了聯(lián)合分析和單獨(dú)分析2種方案的計(jì)算結(jié)果，由于2種方案的約束形式不同，那些由于約束而引起的應(yīng)力集中或奇異處的應(yīng)力值沒有列入表中，也就是說，本文表1中所列的項(xiàng)目，都是具有對(duì)比意義的。

圖10　底環(huán)應(yīng)力分布圖

從表1的最下行(差異行)可知，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)聯(lián)合受力分析與單個(gè)部件結(jié)果相比，各個(gè)部件的應(yīng)力和變形均有不同程度的差別。這是因?yàn)榭刂骗h(huán)對(duì)導(dǎo)葉上軸頭的作用沒有被真實(shí)的模擬，單獨(dú)分析時(shí)上軸頭的撓度較??；導(dǎo)葉對(duì)頂蓋和底環(huán)的作用沒有被真實(shí)的考慮，而且導(dǎo)葉上、中、下3個(gè)軸套處均有配合間隙，這個(gè)間隙在單獨(dú)分析時(shí)也沒有考慮。聯(lián)合分析對(duì)頂蓋和導(dǎo)葉的影響較大，對(duì)底環(huán)的影響相對(duì)較小，這是因?yàn)榈篆h(huán)的相對(duì)尺寸小、剛度大，而且底環(huán)的受力情況也相對(duì)簡(jiǎn)單。可見，如果要得到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)真實(shí)的剛強(qiáng)度結(jié)果，需要盡可能的對(duì)其進(jìn)行聯(lián)合受力分析。

2結(jié)語

本文利用大型通用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)某混流式水輪發(fā)電機(jī)組的圓柱式導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行了聯(lián)合受力分析，盡可能真實(shí)地模擬了該機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，并獲得了導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各個(gè)組成部件的應(yīng)力與變形情況。同時(shí)，將聯(lián)合分析結(jié)果與傳統(tǒng)上單獨(dú)分析某個(gè)部件時(shí)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出了聯(lián)合分析的優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)聯(lián)合分析最主要的優(yōu)點(diǎn)是：考慮了整個(gè)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)的剛度，考慮了整個(gè)過流面的水壓力，考慮了導(dǎo)葉上、中、下3個(gè)軸頸處的間隙，得出了導(dǎo)葉、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)和各環(huán)形部件的剛強(qiáng)度。最重要的是，聯(lián)合分析可以得到導(dǎo)葉相互之間搭接處的立面間隙分布，導(dǎo)葉上、下端面與頂蓋、底環(huán)之間的端面間隙分布，頂蓋、底環(huán)抗磨板和轉(zhuǎn)輪之間的間隙值，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各環(huán)形部件的變形量，這可以為接力器壓緊行程的確定提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。以上，為機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)解決實(shí)際問題提供了技術(shù)支持，為下一步導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表1　導(dǎo)水機(jī)構(gòu)分析結(jié)果匯總表　/(mm, MPa)

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Study, Comparison and Analysis on Joint Action of One Cylinder Guiding Mechanism

LI Guohui

(Zhejiang Fuchunjiang Hydropower Equipment Co., Ltd, Hangzhou310013,China)

Abstract:Study on the joint action of the true structure of one cylinder guiding mechanism is performed by application of ANSYS Workbench. The study is compared with the analysis results of the conventional individual component. Through the analysis on the joint action of the guiding mechanism, the accurate basis for determination of the pressing stroke of the servomotor is provided.

Key words:cylinder; guiding mechanism; finite element method; joint analysis; ANSYS Workbench

中圖分類號(hào)：TK73

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.016

作者簡(jiǎn)介：李國(guó)慧(1985- )，女，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的有限元分析工作.

收稿日期：2015-05-26

文章編號(hào)：1006—2610(2016)01—0060—04