龐立軍, 鐘 蘇

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

帶圓筒閥的水輪機頂蓋軸向剛度主要影響因素分析

龐立軍, 鐘 蘇

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

本文從板厚配置、拓撲結構、幾何尺寸三個方面系統(tǒng)地闡述了帶圓筒閥的水輪機頂蓋軸向剛度主要影響因素。了解和掌握這些因素，對于有效控制帶圓筒閥的水輪機頂蓋的軸向變形具有重要的指導意義。

圓筒閥; 頂蓋; 軸向剛度

1 前言

水輪機采用圓筒閥結構可以在停機過程中有效地保護導水機構和減少電站的漏水損失，目前，我國已有大潮山、漫灣、小灣、光照等水電站采用了圓筒閥結構。在建的瀑布溝、錦屏一級、錦屏二級、糯扎渡和溪洛渡等大型水電站均將采用這種結構。由于圓筒閥設置在頂蓋與座環(huán)上環(huán)形成的空腔內，頂蓋需要采用上法蘭結構，法蘭外徑與普通上法蘭結構的頂蓋相比尺寸要大得多，而且頂蓋的外環(huán)板直到法蘭密封處要承受上游側的水壓力，使箱式結構的頂蓋受力成懸臂梁結構，在一定程度上加大了頂蓋的軸向變形。因此，保證帶圓筒閥的水輪機頂蓋的軸向剛度成為設計過程中的一個突出問題。

本文以某水電站帶圓筒閥的水輪機頂蓋為例，從板厚配置、拓撲結構和幾何尺寸三個方面系統(tǒng)地分析了帶圓筒閥的水輪機頂蓋軸向剛度的主要影響因素。

2 頂蓋結構

某水電站帶圓筒閥的水輪機頂蓋有限元模型如圖1所示，從整體結構上看基本屬于箱式結構。在板厚配置上，各個板件厚度見表1；在拓撲結構上，頂蓋為上法蘭型式，長短幅向筋板各12條，設有外環(huán)板；在幾何尺寸上，頂蓋高度 h=1830mm，法蘭螺栓分布圓直徑 D=9880mm，止漏環(huán)直徑 d=6628mm。用來分析此頂蓋的某水電站主要參數如下：

圖1 頂蓋有限元模型

3 頂蓋軸向剛度的主要影響因素分析

通常情況下，頂蓋在正常運行工況下的軸向變形較大，因此，在有限元分析過程中僅以正常運行工況為例。圖 2為頂蓋在正常運行工況下的軸向變形，最大軸向變形δ=3.73mm。以下從三個方面對頂蓋軸向剛度的主要影響因素進行深入探討。

3.1 板厚配置因素

應用 I-DEAS程序的板厚優(yōu)化技術對頂蓋的各個板件進行變量化分析，通過變量化分析來尋找到影響頂蓋軸向變形的板厚因素。頂蓋各板厚如表1所示。

表1中T1～T10為分析參數（與圖1所示各板件相對應），以 T表示板件厚度，厚度變化范圍為[0.8T，1.2T]。

圖2 頂蓋在水輪機工況時的軸向變形

表1 頂蓋各板件厚度 mm

應用有限元分析模型對板件厚度參數進行變量化分析，隨著頂蓋各板厚度變化，最大軸向變形變化趨勢曲線如圖3所示，最大軸向變形變化幅度如圖4所示，圖中的結果是對應某板厚變化而其他板厚為初始值時的最大變形的變化幅度。

圖3 最大軸向變形變化趨勢曲線

從圖 3中可以看出，在所有板厚參數中，法蘭板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）對頂蓋軸向變形的影響最大，隨著法蘭板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）的增大，最大軸向變形呈明顯下降趨勢，其他板件厚度對頂蓋的軸向變形影響很??；從圖 4中可以看出，法蘭板厚度（T1）和外上面板厚度（T2）由最小值增大到最大值，最大軸向變形的降幅分別為 0.69mm和0.85mm；其他板件厚度變化對軸向變形的影響幅度都在0.2mm以下。由此可見，法蘭板厚度T1和外上面板厚度 T2是頂蓋軸向變形的主要板厚影響參數。因此，對于帶圓筒閥的水輪機頂蓋設計，保證法蘭板厚度和外上面板厚度是增強頂蓋軸向剛度的重要因素。

圖4 最大軸向變形變化幅度直方圖

3.2 結構拓撲因素

頂蓋受到的所有外載荷都將通過法蘭傳遞給座環(huán)至混凝土基礎，因此，法蘭的拓撲結構對頂蓋的軸向剛度影響很大；外環(huán)板與法蘭相連，它對頂蓋的軸向剛度影響與法蘭型式有關；幅向筋板的數量一般為導葉孔數或導葉孔數的1/2，幅向筋板承受著主要的剪切變形。

由于帶圓筒閥的水輪機頂蓋受到結構型式限制，必須采用上法蘭結構，因此，在拓撲型式上可以考慮單上法蘭、雙上法蘭或在單上法蘭板上面增加48塊小筋板的結構，雙上法蘭結構如圖5所示；采用雙上法蘭結構時，在法蘭中間加48塊小筋板；對于幅向筋板來說，在拓撲型式上可以對筋板數量和厚度進行改變；外環(huán)板在拓撲結構上沒有變化，只能從厚度上加以考慮；應用I-DEAS程序所得計算結果如表2所示。

圖5 頂蓋雙上法蘭結構

表2 頂蓋拓撲因素對軸向剛度的影響 mm

由表 2可見，采用雙上法蘭結構，在一定程度上可以提高頂蓋的軸向剛度，同時導葉孔處的軸向變形降低明顯。當兩塊法蘭板均用100mm厚時，頂蓋的軸向剛度增加12.8%；當上法蘭板厚度為200mm，下法蘭板厚度為100mm時，頂蓋的軸向剛度增加18.5%；當上法蘭板厚度為 100mm，下法蘭板厚度為 200mm時，頂蓋的軸向剛度增加 15%。這說明當采用雙上法蘭時，上面的法蘭板要設計厚些，對提高頂蓋的軸向剛度更有幫助。當增加兩法蘭中間小筋板的厚度，同時減小下法蘭板的厚度時，頂蓋的軸向剛度增加20.1%，說明小筋板的薄厚在雙上法蘭結構中作用明顯。然而，當兩個法蘭板間的高度由 380mm降低到180mm時，頂蓋的軸向剛度相對降低了近26%，說明兩法蘭板之間的高度對頂蓋的軸向剛度影響很大。因此，在頂蓋設計過程中，在頂蓋高度允許的情況下應盡量使兩法蘭板間的高度大一些更合理。從頂蓋的軸向變形上看，當在原方案的法蘭板上面增加48塊小筋板后，頂蓋的軸向變形沒有明顯變化，這說明在原方案的法蘭板上面增加筋板不能有效提高頂蓋的軸向剛度。

從幅向筋板的型式上看，減少筋板數量對頂蓋的軸向變形影響顯著，其剛性減幅達 31.1%以上，如果把12條短筋板也改為長筋板，頂蓋的剛性略有升高，但效果甚微，不足1.3%；當把所有筋板厚度減半和減少一半筋板數量相比，發(fā)現兩者效果完全不一樣，其軸向剛性下降的幅度前者約是后者的2/3。這一結果表明，在頂蓋設計中寧可使筋板薄一些，也要保證幅向筋板的數量與導葉孔數一致。

對于外環(huán)板的厚度因素，增加或減少厚度對頂蓋的軸向剛度影響在5%左右，這一數值與本文第3.1節(jié)板厚配置因素中所得到的計算結果相吻合。

3.3 結構幾何因素

頂蓋的幾何尺寸因素主要包括：頂蓋的高度，法蘭把合螺栓分布圓直徑，止漏環(huán)直徑等因素。應用I-DEAS程序的幾何優(yōu)化技術，通過改變以上幾何尺寸因素的數值計算所得結果見表3。

表3 頂蓋幾何因素對軸向剛度的影響

從表 3可見，在結構幾何影響因素中，法蘭把合螺栓分布圓直徑影響最大，頂蓋高度影響其次，止漏環(huán)直徑影響較小，不足4%。當法蘭把合螺栓分布圓直徑減小180mm，頂蓋剛性增加19.5%，相反地，當法蘭把合螺栓分布圓直徑增大 150mm，頂蓋剛性降低37.3%。因此，在帶圓筒閥的水輪機頂蓋設計中，應在保證圓筒閥布置空間的前提下使頂蓋法蘭把合螺栓分布圓直徑盡量設計到最小尺寸；同時，頂蓋高度的合理增加對提高頂蓋剛性作用也比較明顯，如果頂蓋高度設計偏低，頂蓋的剛性將下降明顯。

4 結論

帶圓筒閥的水輪機頂蓋軸向剛度的主要影響因素可以從板厚配置、拓撲結構和幾何尺寸三個方面來考慮。

（1）在板厚配置因素上，法蘭板和外上面板厚度對頂蓋軸向剛度影響最大，在設計過程中保證法蘭板和外上面板厚度是增強頂蓋軸向剛性的重要因素。

（2）在拓撲類因素中，雙上法蘭結構相對于單上法蘭結構來說在一定程度上可以提高頂蓋的軸向剛度，同時可使導葉孔處的軸向變形降低明顯。在雙上法蘭結構中，適當增加上面的法蘭板厚度、小筋板厚度和兩法蘭板之間的高度對提高頂蓋的軸向剛度效果明顯。在原方案的法蘭板上面增加小筋板對提高頂蓋軸向剛度作用不大。

（3）在拓撲類因素中，筋板數量與導葉孔數要保持一致，根據實際情況可以使用長短筋板或全部使用長筋板，可以有效提高頂蓋軸向剛性。

（4）在結構幾何因素中，法蘭把合螺栓分布圓直徑對頂蓋軸向剛度影響最大，把合螺栓分布圓直徑設計得越小，頂蓋軸向剛性越強，反之則越弱；其次是頂蓋高度，合理增加頂蓋高度對提高頂蓋軸向剛度十分必要。

[1] 廖日東. I-DEAS實例教程-有限元分析[M], 北京:北京理工大學出版社, 2003.

[2] 鐘蘇. 影響混流式水輪機頂蓋剛強度的主要因素分析[J]. 大電機技術, 1995, (3): 36-40.

The Main Factors Analysis for the Axial Stiffness of Ring Gate Structure Turbine Head Cover

PANG Li-jun，ZHONG Su
( Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China )

The main factors for the axial stiffness of ring gate structure turbine head cover are expounded systematically in the aspects of thickness of plate， topological structure, geometry in this paper. Understanding and holding these, it is significant to control availably axial transmutation of ring gate stru cture turbine head cover.

ring gate; head cover; axial stiffness

TK730.2

B

1000-3983（2010）01-0054-04

2008-09-03

龐立軍（1976-），2000年畢業(yè)于哈爾濱理工大學機械設計專業(yè)，現從事水輪機結構部件剛強度與動態(tài)特性研究工作，工程師。