伏虹潤

（大唐國際發(fā)電股份有限公司重慶分公司，重慶401121）

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三維有限元分析在彭水水電站上擋風(fēng)板改造中的應(yīng)用

伏虹潤

（大唐國際發(fā)電股份有限公司重慶分公司，重慶401121）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展,三維實(shí)體建模與有限元分析的功能越來越強(qiáng),應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。結(jié)合彭水水電站上擋風(fēng)板改造實(shí)例，介紹了三維有限元分析在發(fā)電企業(yè)設(shè)備故障分析、治理領(lǐng)域的應(yīng)用。

三維有限元；擋風(fēng)板；應(yīng)用

1　概述

1.1基本情況

彭水水電站位于烏江干流下游,電站共安裝5臺(tái)單機(jī)容量350MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 750MW。發(fā)電機(jī)的冷卻方式設(shè)計(jì)為密閉循環(huán)通風(fēng)冷卻，轉(zhuǎn)子為斜支臂結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，空氣由轉(zhuǎn)子支架的上部被吸入，在離心力作用下，由安裝在磁軛上的通風(fēng)道吹向定子鐵心和線圈。在發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子上、下方裝有水平和豎向立擋風(fēng)板，構(gòu)成密閉空間，經(jīng)過定子上、下端部的熱風(fēng)與經(jīng)過定子鐵心和線圈的熱風(fēng)均進(jìn)入空氣冷卻器，冷卻后的空氣經(jīng)過上風(fēng)道再進(jìn)入到轉(zhuǎn)子的上部，空氣被吸入后形成密閉循環(huán)。

發(fā)電機(jī)上部豎向立擋風(fēng)板共有4圈，各由28塊弧形獨(dú)立擋風(fēng)板拼接而成，整體呈圓筒形，如圖1。立擋風(fēng)板通過螺栓固定于水平弧形橫梁上，弧形橫梁截面為倒“T”形，橫梁兩端通過螺栓固定于上機(jī)架支臂下翼緣，上機(jī)架支臂數(shù)為14，橫梁數(shù)14，每根橫梁上固定兩塊擋風(fēng)板，擋風(fēng)板之間采用螺栓連接。

立擋風(fēng)板為懸臂固定方式，如圖2。內(nèi)圈立擋風(fēng)板高度最大，更靠近機(jī)組軸線，離上機(jī)架與定子機(jī)座頂部的固定點(diǎn)更遠(yuǎn)。

圖1　立擋風(fēng)板水平分布

圖2　發(fā)電機(jī)上部立擋風(fēng)板

1.2問題介紹

彭水水電站機(jī)組投運(yùn)后不久，出現(xiàn)了發(fā)電機(jī)上部內(nèi)圈立擋風(fēng)板固定螺栓大量斷裂的問題，嚴(yán)重影響到機(jī)組安全。

2009年9月檢查發(fā)現(xiàn)，1號(hào)機(jī)組上部內(nèi)圈立擋風(fēng)板固定螺栓有23顆斷裂、2顆滑絲，2號(hào)~5號(hào)機(jī)組也有不同數(shù)量的螺栓斷裂、滑絲，隨即對(duì)損壞的螺栓進(jìn)行了更換；2010年5月檢查發(fā)現(xiàn)，1號(hào)機(jī)組內(nèi)圈上擋風(fēng)板固定螺栓有80顆斷裂，5號(hào)機(jī)組有22顆斷裂。由于當(dāng)時(shí)正值主汛期，為確保機(jī)組安全度汛，對(duì)5臺(tái)機(jī)組擋風(fēng)板均采取了臨時(shí)加固措施，即每塊擋風(fēng)板用2~3塊角鋼與弧形固定橫梁直接焊接，兩塊擋風(fēng)板合縫處用扁鋼施焊連接；2010年8月~2011年元月的歷次檢查中發(fā)現(xiàn)，5臺(tái)機(jī)組上部內(nèi)圈立擋風(fēng)板均出現(xiàn)了不同程度的裂紋和個(gè)別螺栓斷裂情況，其中，1號(hào)機(jī)組在2010年8月檢查中發(fā)現(xiàn)裂紋30處，2010年9月檢查中發(fā)現(xiàn)裂紋10處及兩顆固定螺栓斷裂，2010年10月檢查發(fā)現(xiàn)裂紋10處，裂紋多位于立擋風(fēng)板下部以及兩塊擋風(fēng)板合縫處。

除上部內(nèi)圈立擋風(fēng)板外，其他外側(cè)3圈立擋風(fēng)板工作正常，在各次檢查中未發(fā)現(xiàn)異常。

2　三維有限元自振特性計(jì)算

三維有限元自振特性計(jì)算可以得出結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率和結(jié)構(gòu)振型，而結(jié)構(gòu)的自振特性可以反映結(jié)構(gòu)受到外部激振力作用后的振動(dòng)情況。為尋求擋風(fēng)板固定螺栓斷裂的原因，為后續(xù)現(xiàn)場試驗(yàn)研究和問題分析處理提供依據(jù)，彭水水電站組織對(duì)發(fā)電機(jī)上部內(nèi)圈立擋風(fēng)板進(jìn)行三維有限元自振特性計(jì)算。

2.1模型設(shè)計(jì)

2.1.1擋風(fēng)板模型

發(fā)電機(jī)上部立擋風(fēng)板共有4圈，其中內(nèi)圈立擋風(fēng)板高度最大，更靠近機(jī)組軸線，離上機(jī)架斜支臂在定子機(jī)座頂部的固定點(diǎn)更遠(yuǎn)。內(nèi)圈立擋風(fēng)板，由28塊獨(dú)立的擋風(fēng)板拼接而成，其高H=1 278mm，水平半徑R=6 876mm，面板厚d=3mm，材料為Q235-A。

建立擋風(fēng)板三維有限元模型時(shí)，立擋風(fēng)板各部件采用殼單元模擬，單元數(shù)3 528，內(nèi)圈立擋風(fēng)板三維有限元單塊模型圖見3，整體模型如圖見4。

圖3　單塊擋風(fēng)板模型

圖4　立擋風(fēng)板三維有限元模型

圖5　上機(jī)架及內(nèi)圈立擋風(fēng)板固定橫梁有限元模型

2.1.2上機(jī)架模型

立擋風(fēng)板通過螺栓固定于水平弧形橫梁上，弧形橫梁截面為倒“T”形，底部有斷面為矩形、水平面上呈弧形的加強(qiáng)鋼條，鋼條上每隔一定距離有M12的內(nèi)螺紋用來固定擋風(fēng)板?；⌒螜M梁兩端通過螺栓固定于上機(jī)架斜支臂下翼緣，上機(jī)架支臂數(shù)為14，橫梁數(shù)14，每根橫梁上固定兩塊擋風(fēng)板，相鄰擋風(fēng)板之間采用螺栓連接。

上機(jī)架為斜支臂結(jié)構(gòu)，中心體高度H=1400mm，中心體內(nèi)切圓半徑R=3000mm，斜支臂長L=7000mm，支臂上翼緣厚度為30mm，下翼緣厚度為20mm，腹板厚度8mm。

建立三維有限元模型時(shí)，上機(jī)架及弧形橫梁采用殼單元模擬，單元數(shù)13 188，上機(jī)架及弧形橫梁三維有限元模型如圖5。

2.2計(jì)算條件

進(jìn)行立擋風(fēng)板自振特性計(jì)算時(shí)，立擋風(fēng)板頂部固定端面采用豎向、徑向和切向位移約束及切向轉(zhuǎn)動(dòng)約束。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中支臂在風(fēng)罩固定處采用了剪切銷結(jié)構(gòu)，因此上機(jī)架及固定梁計(jì)算時(shí)，此處采用徑向和切向約束，斜支臂在定子機(jī)座頂部的固定點(diǎn)采用豎直向及切向約束。有限元模型采用的材料參數(shù)見表1。

表1　三維有限元計(jì)算材料參數(shù)

表2　立擋風(fēng)板自振頻率

表3　上機(jī)架自振特性結(jié)果

2.3計(jì)算結(jié)果

2.3.1立擋風(fēng)板計(jì)算結(jié)果

立擋風(fēng)板自振頻率見表2，部分振型見圖6。

立擋風(fēng)板自振頻率計(jì)算結(jié)果表明，其振型以底部波浪形變化為主，頻率不同其波數(shù)有差異：自振頻率越高，立擋風(fēng)板下擺處的“波浪”數(shù)越多，“波長”變短，立擋風(fēng)板底部“裙擺效應(yīng)”明顯，自振頻率低。

擋風(fēng)板固定螺栓是穿過上端面圓孔后通過螺紋固定于弧形橫梁，螺桿與擋風(fēng)板上端面的圓孔內(nèi)壁之間有1mm間隙，在擋風(fēng)板上端面與固定梁之間夾有一層羊毛氈，擋風(fēng)板的這種固定型式，致使“裙擺效應(yīng)”能對(duì)固定螺栓產(chǎn)生受彎、受拉作用，作用的大小與擋風(fēng)板的剛度及底部“裙擺”的幅度有關(guān)。

2.3.2上機(jī)架及固定梁計(jì)算結(jié)果

上機(jī)架及固定梁自振頻率見表3，部分振型見圖6。

圖6　立擋風(fēng)板、上機(jī)架及固定梁振型圖

上機(jī)架的振型以支臂的切向位移為主，上機(jī)架支臂的切向位移引發(fā)了擋風(fēng)板固定梁徑向彎曲變形，由于擋風(fēng)板頂部固定端面厚度達(dá)到10mm，其抵抗水平向變形的能力較強(qiáng)，這會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)接觸面發(fā)生相對(duì)位移，對(duì)固定螺栓產(chǎn)生“剪刀效應(yīng)”，對(duì)螺栓產(chǎn)生較大的剪切力，引發(fā)螺桿受損。

2.4原因分析

通過三維有限元計(jì)算，擋風(fēng)板固定螺栓斷裂原因?yàn)椋?/p>

（1）立擋風(fēng)板自振頻率低，基頻為6.6 Hz，其振型主要以底部的“裙擺效應(yīng)”為主，頻率越高，底部“裙擺”的波形越密集，波長越短。

（2）立擋風(fēng)板的固定方式，在立面上為懸臂結(jié)構(gòu)，“裙擺效應(yīng)”能對(duì)固定螺栓產(chǎn)生受彎、受拉作用，作用的大小與擋風(fēng)板的剛度及底部“裙擺”的幅度有關(guān)。

（3）上機(jī)架振型以支臂的切向振動(dòng)為主，基頻為17.05Hz，振型主要以支臂的切向振動(dòng)為主，越靠近支臂中部振動(dòng)位移越大，隨著振動(dòng)頻率增高，振型由以支臂的整體彎曲變形為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橐灾П鄹拱宓那邢颉肮哪ば?yīng)”為主。無論振動(dòng)頻率如何，機(jī)架相鄰的斜支臂振動(dòng)步調(diào)不會(huì)完全一致，中部總會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。

（4）受上機(jī)架斜支臂的擠壓或拉伸作用，相鄰斜支臂相對(duì)位移微小的變化就會(huì)使擋風(fēng)板固定梁在水平方向產(chǎn)生較大的彎曲變形，并伴隨有豎直向微小的彎曲變形。擋風(fēng)板固定梁的水平向彎曲變形，會(huì)對(duì)固定螺栓的螺桿產(chǎn)生“剪刀效應(yīng)”，對(duì)螺栓產(chǎn)生剪切力，這是螺桿斷裂的重要原因。

3　原型試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證三維有限元自振特性計(jì)算結(jié)果，對(duì)立擋風(fēng)板進(jìn)行了模態(tài)試驗(yàn)，對(duì)上機(jī)架支臂及立擋風(fēng)板固定橫梁進(jìn)行了振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，立擋風(fēng)板的模態(tài)振型以下端位置的波浪形變形為主；螺栓斷裂與固定梁的高頻剪切作用引起的材料疲勞相關(guān)，高頻振動(dòng)源自于上機(jī)架斜支臂的高頻擠壓或拉伸作用，進(jìn)一步證實(shí)了有限元計(jì)算結(jié)果。

4　改造方案及效果評(píng)估

針對(duì)螺栓斷裂原因，從改變立擋風(fēng)板固定螺栓的受力方式著手，彭水水電站實(shí)施了改變固定螺栓的受力方式（即將固定螺栓由原來的豎直向轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蛩较?，將固定梁徑向水平振?dòng)對(duì)螺栓的剪切力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓑毫Γ?，增加徑向、環(huán)向加強(qiáng)筋的改造方案。

為檢驗(yàn)改造效果，彭水水電站開展了固定梁的三維有限元計(jì)算、擋風(fēng)板現(xiàn)場模態(tài)試驗(yàn)和固定梁振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)。通過對(duì)比改造前后擋風(fēng)板及固定梁的有限元計(jì)算及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，改造后的固定梁沿弦線方向的剛度增加、中部徑向位移明顯小于改造前，降低了固定螺栓所受剪切力，延長了固定螺栓使用壽命；改造后擋風(fēng)板的阻尼系數(shù)明顯增大，減小了振動(dòng)對(duì)擋風(fēng)板本體的影響；改造后的固定梁振動(dòng)加速度峰值、上機(jī)架斜支臂切向振動(dòng)最大峰值加速度較改造前明顯降低，降低了螺栓所受剪切應(yīng)力。

改造后的擋風(fēng)板運(yùn)行至今未再發(fā)生類似問題，證明改造后的擋風(fēng)板工作性能有大幅提高，擋風(fēng)板的改造達(dá)到了預(yù)期效果，威脅機(jī)組安全的螺栓斷裂問題得到有效解決。

5　結(jié)語

彭水水電站采用三維有限元計(jì)算與現(xiàn)場原型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，有效解決了電站運(yùn)行當(dāng)中的實(shí)際問題，同時(shí)也為其他發(fā)電企業(yè)解決發(fā)電設(shè)備結(jié)構(gòu)問題提供了新的思路。

TK730.8

B

1672-5387（2016）02-0037-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.02.011

2015-04-30

伏虹潤（1981-），男，工程師，從事水電站生產(chǎn)及技術(shù)管理工作。