王 燕，呂冠楠

(1.哈爾濱大電機研究所，黑龍江 哈爾濱 150040;2.吉林大學(xué)，機械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012)

0 引言

推力軸承是水輪發(fā)電機的核心關(guān)鍵部件，它承受立式水輪發(fā)電機和水輪機轉(zhuǎn)動部分的全部重量以及作用在水輪機轉(zhuǎn)輪上的軸向水推力。其結(jié)構(gòu)形式有多種，目前對于大推力負荷的大容量機組通常采用具有均載和自調(diào)性能的液壓支柱式彈性推力軸承結(jié)構(gòu)。彈性油箱是液壓式彈性推力軸承中的彈性部件，其中多波紋彈性油箱在此結(jié)構(gòu)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。例如蓮花、尼爾基、萬家寨、托口、宣光、劉家峽、五強溪、葛州壩等電站均采用多波紋彈性油箱結(jié)構(gòu)。

對于多波紋彈性油箱的剛強度性能是設(shè)計者最為關(guān)心的問題，同時也是保證推力瓦受力均勻的關(guān)鍵所在。作者以某一電站多波紋彈簧油箱作為計算算例，應(yīng)用解析公式法和有限元法對其進行剛強度分析和計算方法確定[1－2]，使設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠滿足剛強度要求并使推力瓦受力均勻，以保證水輪發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 多波紋彈性油箱特點

彈性油箱承受軸向推力負荷。多波紋彈性油箱是由多波紋彈性油箱體、支鐵、環(huán)鐵、透平油等組成的。具體的說，是將環(huán)鐵和支鐵放置于彈性油箱體里，支鐵上平面與彈性油箱體上口平面縫隙經(jīng)電焊焊牢密封。多波紋彈性油箱體下側(cè)開有兩個接口，油箱內(nèi)充滿透平油。油箱之間用底盤固定，用鋼管連通。根據(jù)連通器原理使機組運行時各油箱的受力基本一致，推力瓦之間的不均衡負荷通過油壓均衡，保證機組穩(wěn)定的運行。整個油壓系統(tǒng)牢固密封，利用油箱的軸向變形及油壓傳遞使各瓦受力均勻，構(gòu)成了推力瓦的彈性支撐結(jié)構(gòu)。多波紋彈性油箱結(jié)構(gòu)見圖1所示。

圖1 多波紋彈性油箱結(jié)構(gòu)圖

2 基本計算參數(shù)

3 解析公式法

3.1 彈性油箱強度

(1)工作油壓

(5)溫度應(yīng)力

設(shè)溫度差為Δt=10℃，鋼皮變形1 mm箱內(nèi)體積的變化:

3.2 充油數(shù)據(jù)

計算結(jié)果如表1所示:

表1 充油數(shù)據(jù)

打初油壓時，以表中油箱升高值λ為檢驗依據(jù)，壓力表值為參考，在充油溫度低于15℃時，按15℃時的要求打初壓。

4 有限元法

該水電站機組的液壓支柱式推力軸承共有16個多波紋彈性油箱。油箱內(nèi)充滿了密閉的透平油，通過連通管使油連通在一起形成液壓支柱。機組的推力負荷由推力瓦作用在每一個油箱的頂蓋上。

4.1 計算模型

根據(jù)多波紋彈性油箱的對稱結(jié)構(gòu)特點，計算過程按軸對稱問題的有限元法進行分析。選用軸對稱單元進行模擬，取XY平面為軸對稱面，Y軸為對稱軸，選用的單元為plan82單元，彈性油箱有限元計算模型見圖2所示。

圖2 彈簧油箱有限元計算模型

邊界處理:在彈性油箱底面約束外側(cè)X和Y位移。

載荷處理:主要考慮3種工況進行計算，在彈性油箱的內(nèi)腔和模型頂部施加不同大小的均布面力。3種工況分別為工作狀態(tài)、初壓狀態(tài)及空筒狀態(tài)，其受力如下:

工況1——工作狀態(tài):內(nèi)腔壓力 p1=13.53 MPa，頂部壓力 p2=10.76 MPa(工作負荷為1.49×106N)

工況2——初壓狀態(tài):初油壓p1=0.83 MPa

工況3——空筒狀態(tài):頂部壓力 p2=0.72 MPa(假設(shè)施加100000 N作用力)

4.2 計算結(jié)果

通過有限元分析可以得出3種工況下油箱的應(yīng)力及變形，如表2所示，各工況下的應(yīng)力及變形見圖3～圖4。

表2 3種不同工況的計算結(jié)果

圖3 工作狀態(tài)油箱局部應(yīng)力分布云圖(內(nèi)壓13.53 MPa，外壓10.76 MPa)

圖4 工作狀態(tài)油箱變形圖

5 結(jié)語

1)通過對某電站多波紋彈性油箱剛強度分析，發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)力位置通常出現(xiàn)在波紋彎曲部位。

2)從有限元和解析計算結(jié)果可以看出作者提出的計算方法真實可靠，可以準(zhǔn)確地計算出多波紋彈性油箱的真實應(yīng)力水平，從而為今后對多波紋彈性油箱進行剛強度分析提供了強有力的技術(shù)支持。

[1]葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析軟件應(yīng)用實例[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[2]丁淑華，龐立軍.水輪發(fā)電機單波紋彈性油箱剛強度性能計算方法研究[J].上海大中型電機.2010(4).