陳光輝，龐立軍

（水力發(fā)電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

1 前言

高水頭水輪機由于運行水頭高、壓力大，底環(huán)的剛強度性能將是設計的難點。水輪機底環(huán)如采用下拆方案，則底環(huán)不埋入混凝土，和尾水錐管聯(lián)合受力。如采用埋入混凝土的方案，則由水輪機底環(huán)和混凝土聯(lián)合受力。

本文根據(jù)水輪機底環(huán)的埋設方式不同，采用單獨計算和聯(lián)合受力分析的方法，對底環(huán)的剛強度性能進行了研究。

2 不同結(jié)構(gòu)形式水輪機底環(huán)的剛強度性能分析

2.1 埋入式水輪機底環(huán)

埋入式水輪機底環(huán)下端面直接與混凝土進行接觸，底環(huán)的輻向筋板埋設在混凝土中。傳統(tǒng)的計算方法都是底環(huán)單獨計算，不考慮混凝土的影響，聯(lián)合受力分析則取底環(huán)、蝸殼座環(huán)、混凝土聯(lián)合造型進行組合計算。有限元計算模型如圖1所示。

表1為某電站埋入式水輪機底環(huán)單獨計算和聯(lián)合計算結(jié)果比較。單獨計算時，在導流板與上環(huán)板連接處出現(xiàn)局部高應力，這是由于沒有考慮混凝土的支撐作用造成的。當采用聯(lián)合受力分析時，底環(huán)的應力分布變化相對比較均勻，并且沒有應力集中，聯(lián)合受力分析底環(huán)的應力和變形值比單獨計算減小很多。因此，對于埋入式水輪機底環(huán)，混凝土對水輪機底環(huán)的剛強度性能影響較大，是不能忽略的因素。

圖1 埋入式水輪機底環(huán)聯(lián)合受力分析有限元計算模型

表1 埋入式水輪機底環(huán)單獨計算和聯(lián)合計算結(jié)果比較

2.2 非埋入式水輪機底環(huán)

非埋入式水輪機底環(huán)多采用上拆或下拆式結(jié)構(gòu)，上拆式結(jié)構(gòu)底環(huán)直接固定于座環(huán)之上，與座環(huán)下端的基礎環(huán)進行螺栓把合，基礎環(huán)埋設于混凝土之中。下拆式底環(huán)下端面直接與尾水管錐管相連接，尾水管錐管也是可拆卸式結(jié)構(gòu)，外側(cè)無混凝土澆注，因此，底環(huán)的剛強度性能直接受到錐管的影響。由于下拆式水輪機底環(huán)結(jié)構(gòu)的獨特性，剛強度考核應該關(guān)注，有限元計算模型如圖2所示。

圖2 非埋入式底環(huán)聯(lián)合受力分析有限元計算模型

表 2、3分別為上拆式和下拆式水輪機底環(huán)單獨計算與聯(lián)合受力分析計算結(jié)果比對，從有限元計算結(jié)果中可以得出，單獨計算時會產(chǎn)生局部高應力，聯(lián)合受力分析應力分布比較連續(xù)，不存在明顯的應力集中。對于下拆式結(jié)構(gòu)，正常運行工況為最危險的工況，聯(lián)合受力分析底環(huán)的應力值小于單獨計算結(jié)果，但是變形值大于單獨計算結(jié)果。

表2 非埋入上拆式水輪機底環(huán)單獨計算和聯(lián)合計算結(jié)果比較

表3 非埋入下拆式水輪機底環(huán)單獨計算和聯(lián)合計算結(jié)果比較

圖3 下拆式水輪機底環(huán)單獨計算和聯(lián)合受力分析應力比較（正常運行工況）

3 底環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

水輪機底環(huán)的結(jié)構(gòu)設計直接關(guān)系到底環(huán)剛強度性能，分別采取改變底環(huán)的筋板厚度、導流板厚度、法蘭的結(jié)構(gòu)形式進行分析，通過有限元計算結(jié)果可以得出，輻向筋板和導流板的厚度對水輪機底環(huán)的剛強度性能影響比較明顯。隨著筋板厚度的增加，底環(huán)的應力和變形都有減小的趨勢。埋入式水輪機底環(huán)的輻向筋板埋設在混凝土中，筋板適當加厚就可以了，但是對于非埋入式水輪機底環(huán)，輻向筋板的作用應該受到特別的關(guān)注，在設計的過程中適當加厚輻向筋板的厚度，增加輻向筋板的環(huán)向布置數(shù)量，可以有效地提高底環(huán)的剛強度性能。

表4 水輪機底環(huán)不同筋板厚度有限元計算結(jié)果

水輪機底環(huán)的導流板直接受到水壓力的沖擊，屬于易損部件，導流板的尺寸要嚴格按照轉(zhuǎn)輪的流道尺寸進行設計，底環(huán)的最大變形位置通常出現(xiàn)在導流板與環(huán)板的搭接位置，導流板的設計形式和設計結(jié)構(gòu)直接影響到底環(huán)的整體剛強度性能。特別對非埋入下拆式水輪機底環(huán)結(jié)構(gòu)，外側(cè)無混凝土澆注，整個底環(huán)完全裸露在外面，導流板的作用就顯得更加突出。從表5中所列的有限元計算結(jié)果可以得出，隨著導流板厚度的增加，底環(huán)的最大應力和變形值減小比較明顯。

表5 水輪機底環(huán)不同導流板厚度的有限元計算結(jié)果

法蘭結(jié)構(gòu)不同，作用于法蘭根部的彎曲應力有很大的區(qū)別，表6為不同法蘭結(jié)構(gòu)形式的影響。 從計算結(jié)果中可以得出，雙法蘭結(jié)構(gòu)的應力和變形值明顯小于單法蘭結(jié)構(gòu)。雙法蘭結(jié)構(gòu)可以有效的提高水輪機底環(huán)的剛強度性能，建議在底環(huán)結(jié)構(gòu)設計中，在相同條件下優(yōu)先選擇雙法蘭結(jié)構(gòu)。

4 底環(huán)動態(tài)特性研究

非埋入下拆式水輪機底環(huán)的整體結(jié)構(gòu)完全裸露在外面，底環(huán)的動態(tài)特性對整個機組的振動性能有很大的影響。分別采取底環(huán)單獨計算和底環(huán)與尾水管錐管聯(lián)合計算的方法進行比對分析，計算模型如圖4所示。

表6 底環(huán)不同法蘭結(jié)構(gòu)形式有限元計算結(jié)果

圖4 下拆式底環(huán)動態(tài)特性分析模型

表7 水輪機底環(huán)動態(tài)特性分析計算結(jié)果比對

從有限元計算結(jié)果可以得出，聯(lián)合計算考慮了尾水管錐管部分，整體模型質(zhì)量增加，剛度性能減弱，自振頻率數(shù)值比單獨計算減小很多，說明考慮尾水管錐管對底環(huán)的自振頻率影響比較明顯。在實際的機組安裝中，底環(huán)是與尾水管錐管進行把合連接的，錐管下端允許有一定范圍的軸向移動，因此，在對底環(huán)進行動態(tài)特性考核的時候，考慮尾水管錐管的影響是比較準確的。

5 結(jié)論

（1）埋入式水輪機底環(huán)，混凝土對其的剛強度性能影響比較明顯。

（2）非埋入式水輪機底環(huán)下拆式結(jié)構(gòu)，整個底環(huán)裸露在外面，因此，底環(huán)的結(jié)構(gòu)設計變得同頂蓋一樣同等重要。底環(huán)的剛強度考核應該受到特別的關(guān)注。

（3）底環(huán)的筋板、導流板厚度，法蘭結(jié)構(gòu)形式是底環(huán)應力和變形最主要的影響因素，在底環(huán)的設計中應該重點關(guān)注。雙法蘭結(jié)構(gòu)優(yōu)于單法蘭結(jié)構(gòu)，在同等條件下，建議優(yōu)先考慮雙法蘭結(jié)構(gòu)設計。

（4）下拆式水輪機底環(huán)的動態(tài)特性分析必須考慮尾水管錐管的影響。