劉晶石，呂桂萍，龐立軍

(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)

前言

抽水蓄能電站是利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電的水電站。又稱蓄能式水電站。它可將電網(wǎng)負(fù)荷低時(shí)的多余電能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娋W(wǎng)高峰時(shí)期的高價(jià)值電能，還適于調(diào)頻、調(diào)相、穩(wěn)定電力系統(tǒng)的周波和電壓，且宜為事故備用，還可提高系統(tǒng)中火電站和核電站的效率。因此國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了抽水蓄能課題的研究，并且修建了許多抽水蓄能電站[1]。

抽水蓄能電站運(yùn)行具有幾大特性：既是發(fā)電廠，又是用戶，它的填谷作用是其他任何類型發(fā)電廠所沒(méi)有的；起動(dòng)迅速，運(yùn)行靈活、可靠，除調(diào)峰填谷外，還適合承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等任務(wù)[2]。目前，中國(guó)已建的抽水蓄能電站在各自的電網(wǎng)中都發(fā)揮了重要作用，使電網(wǎng)總體燃料得以節(jié)省，降低了電網(wǎng)成本，提高了電網(wǎng)的可靠性。

由于抽水蓄能機(jī)組的特殊性，其主要部件的性能更加引起重視。針對(duì)這一問(wèn)題，本文利用有限元方法對(duì)某抽水蓄能電站錐管進(jìn)行了有限元分析并確定其鋼板合理厚度，分析中忽略混凝土對(duì)錐管受力的影響。

1 基本參數(shù)

水輪機(jī)尾水錐管承受的主要載荷是來(lái)自其內(nèi)部的水壓力和壓力脈動(dòng)，表1中列出了某電站機(jī)組與計(jì)算載荷有關(guān)的主要參數(shù)。

表1 主要參數(shù)

該抽水蓄能電站錐管材料為Q345C，其材料性能及許用應(yīng)力如表2所示。通常采用的應(yīng)力準(zhǔn)則為：

式中，σs——為材料的屈服極限。

水輪機(jī)尾水錐管由鋼板構(gòu)成，最終方案中各部位鋼板厚度分別為：錐面板厚30mm、環(huán)形筋厚20mm、進(jìn)人門座板厚50mm。

表2 錐管材料特性及許用應(yīng)力

2 有限元模型

2.1 模型及邊界條件

利用 ANSYS軟件建立整個(gè)錐管的有限元分析模型，包括錐面、環(huán)向筋和進(jìn)人門孔。選取每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度的8節(jié)點(diǎn)板殼單元SHELL93對(duì)錐管進(jìn)行網(wǎng)格剖分，共剖分4526個(gè)單元，14015個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。施加相應(yīng)的邊界條件，在錐管上端節(jié)點(diǎn)約束徑向位移，在下端節(jié)點(diǎn)約束全部位移。分析中忽略混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。

圖1 尾水錐管有限元模型

2.2 計(jì)算載荷

水輪機(jī)尾水錐管承受的主要載荷是錐管錐面上的水壓力和進(jìn)人門門框四周的拉力。本文分析了靜水工況和水輪機(jī)正常運(yùn)行工況下尾水錐管的強(qiáng)度特性以及運(yùn)行中的疲勞特性。

2.2.1 靜水工況

靜水工況，錐管內(nèi)部水壓力來(lái)自電站下游，因此，錐管內(nèi)水壓力為：

式中：

P1——錐管內(nèi)水壓力；

Hdownmax——下水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位；

H0——尾水錐管平均高程；

ρ——水密度。

進(jìn)人門產(chǎn)生的拉力為：

式中：S——進(jìn)人門面積，約為0.449m2。

2.2.2 水輪機(jī)正常運(yùn)行工況

在水輪機(jī)正常運(yùn)行工況，考慮了水流流動(dòng)和壓力波動(dòng)的影響，錐管內(nèi)水壓力計(jì)算式為：

式中，ΔP——水輪機(jī)尾水錐管內(nèi)壓力脈動(dòng)幅值，取為(2%～4%)ρ×g×(Hupmax－Hdownmin)/106；

v——流速，取Q/(πR02)；

R0——錐管平均半徑，取1.7m。

由式(3)可得水輪機(jī)正常運(yùn)行工況，錐管內(nèi)水壓力為：

壓力波峰時(shí)：P2max=0.764MPa；

壓力均值時(shí)：P2avg=0.707MPa；

壓力波谷時(shí)：P2min=0.65MPa。

此時(shí)進(jìn)人門產(chǎn)生的拉力為：

壓力波峰時(shí)：F2max=P2max×S=368300N；

壓力均值時(shí)：F2avg=P2avg×S=317160N；

壓力波谷時(shí)：F2min=P2min×S=266020N。

3 有限元分析結(jié)果

本文主要計(jì)算了靜水工況和水輪機(jī)正常運(yùn)行工況下，尾水錐管的應(yīng)力和變形。尾水錐管進(jìn)人門處鋼板結(jié)構(gòu)不連續(xù)，因此是錐管強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)考核。圖2是靜水工況下，尾水錐管Von Mises應(yīng)力分布圖，可見(jiàn)在進(jìn)人門洞口四角處應(yīng)力最大。為了防止在此處產(chǎn)生斷裂，可以選擇適當(dāng)?shù)膱A角過(guò)渡，以減小應(yīng)力集中的影響。圖3是靜水工況下，尾水錐管的綜合變形情況，可見(jiàn)變形量最大位置出現(xiàn)在進(jìn)人門兩側(cè)，這是由環(huán)形筋板不連續(xù)引起的。其他工況的應(yīng)力和變形分布與圖2和圖3類似，只是數(shù)值不同。不同工況下最大應(yīng)力和變形如表3所示，可見(jiàn)局部最大應(yīng)力略低于許用要求，說(shuō)明此方案中鋼板厚度是經(jīng)濟(jì)合理的。

表3 錐管Mises應(yīng)力、變形計(jì)算結(jié)果

圖2 靜水工況錐管Von Mises應(yīng)力分布

圖3 靜水工況綜合變形

水輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，尾水錐管進(jìn)人門洞口受到交變壓力脈動(dòng)的作用，容易產(chǎn)生疲勞裂紋[3]，因此本文分析了水輪機(jī)正常運(yùn)行工況下，壓力脈動(dòng)對(duì)尾水錐管產(chǎn)生的疲勞影響。由表3中數(shù)據(jù)可得尾水錐管所受的交變應(yīng)力，如圖4所示，其中交變應(yīng)力幅值為11.1MPa；平均應(yīng)力為134.3MPa。忽略水的影響，按照空氣中疲勞分析，利用如下計(jì)算式[4]可以得到其安全系數(shù)為n=4.3，滿足設(shè)計(jì)要求。

式中：σ-1——材料對(duì)稱循環(huán)彎曲疲勞極限，σ-1=0.24(σb+σs)=190MPa；

σa——交變應(yīng)力幅值；

σm——平均應(yīng)力；

kσ——有效應(yīng)力集中系數(shù)，取kσ=1；

ψσ——平均應(yīng)力影響系數(shù)，取ψσ=0.2；

ε——尺寸系數(shù)，取ε=0.9；

β——表面光潔度系數(shù)，取β=0.75。

圖4 尾水錐管交變應(yīng)力

4 結(jié)論

利用 ANSYS軟件對(duì)某抽水蓄能機(jī)組尾水錐管的剛強(qiáng)度特性進(jìn)行了有限元分析，在錐管進(jìn)人門洞口四角處存在局部高應(yīng)力，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膱A弧過(guò)渡可以加以改進(jìn)，并對(duì)局部高應(yīng)力部位進(jìn)行了疲勞分析，結(jié)果表明方案滿足許用要求。

[1]王永新. 抽水蓄能電站[J]. 水利天地, 1989, (6):10-11.

[2]黃阮明, 施濤. 國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站的發(fā)展及思考[J]. 綜合研究, 2012, (9):181-182.

[3]陳光輝. 水輪機(jī)尾水管進(jìn)人門結(jié)構(gòu)方案與剛強(qiáng)度性能探討[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2011, (2):44-46.

[4]劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社,2004.

[5]劉鳳珠. 大型抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)頂蓋、蝸殼和座環(huán)剛強(qiáng)度參數(shù)化方法計(jì)算[J]. 大電機(jī)技術(shù),2010, (9):85-86.