徐 超，龍 洋，耿東山，廖紅華，袁海林，李紹武

(1.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北恩施445000；2.湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000)

軸伸貫流式水輪發(fā)電機組關(guān)鍵部件動力特性分析

徐 超1，龍 洋1，耿東山2，廖紅華2，袁海林2，李紹武1

(1.湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北恩施445000；2.湖北民族學(xué)院信息工程學(xué)院，湖北恩施445000)

針對軸伸貫流式水輪發(fā)電機組的運行特性，為保障機組運行的安全，采用ANSYS對機組關(guān)鍵部件進(jìn)行了動力特性分析.整個分析過程充分模擬了整體和局部的受力特性，且具有比較高的計算精度.最后的分析表明，此發(fā)電機組成結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求.相比于傳統(tǒng)計算方法，工作效率得到了顯著提高，節(jié)約了工程項目的設(shè)計時間，其精度也更能滿足要求.為相關(guān)軸伸貫流式發(fā)電機組結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了相關(guān)研究方法.

水輪發(fā)電機組；有限元；動力特性；ANSYS

隨著我國軸伸貫流式水輪發(fā)電機組制造技術(shù)的不斷改進(jìn)，在兼顧機組發(fā)電經(jīng)濟效益的同時，機組能否安全穩(wěn)定運行愈發(fā)受到生產(chǎn)廠家及發(fā)電企業(yè)的重視[1].特別是針對貫流式機組，在不同工況下運行時，機組主軸和整體流道的動力特性，是機組能否安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素.所以此種類型的水輪機組主軸、流道以及推力軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是機組能否安全運行的關(guān)鍵技術(shù)[2－3].再按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法，僅靠人工經(jīng)驗和簡單模仿早已不能滿足現(xiàn)代工程項目其設(shè)計要求.

基于ANSYS軟件平臺的有限元分析方法，首先根據(jù)實際機組物理結(jié)構(gòu)將其模型離散化，即把機組結(jié)構(gòu)體通過離散的方法劃分為有限個單元，然后利用ANSYS軟件提供的算法對有限個離散單元進(jìn)行分析，最后將所得出的近似但滿足設(shè)計精度的分析結(jié)果替代實際組合體的物理特性，驗證了機組動力特性符合工程要求[3].

表1 發(fā)電機組基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of hydroelectric generating set

1 水輪發(fā)電機組軸系的分析計算

1.1 機組軸系的基本參數(shù)

某軸伸貫流式機組軸系具體參數(shù)如表1所示.

1.2 機組軸系模型的建立與動力特性分析

針對軸伸貫流式水輪機組的特點[4]，在ANSYS建模的過程中，結(jié)合機組軸系結(jié)構(gòu)和發(fā)電機轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特點，需要對整個機組結(jié)構(gòu)做如下的處理[5].

首先，根據(jù)機組主軸旋轉(zhuǎn)時的物理特性，其作為一個軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，振動形式多樣化，其中轉(zhuǎn)軸的撓度計算較為復(fù)雜，是當(dāng)前軸系動力特性分析的主要對象.為了模擬機組軸系的實際質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量，現(xiàn)將與主軸直接相連的電機和葉輪等效成為一個包裹在主軸上的空心圓筒，并在葉輪的中心位置施加一個集中質(zhì)點.考慮到轉(zhuǎn)輪在運行過程狀態(tài)，要根據(jù)實際受力特點建立一個不但反映軸系實際力學(xué)特性、又便于分析的力學(xué)模型，同樣用集中質(zhì)點的形式施加在葉輪的中心位置，來模擬附著的水體.

然后，根據(jù)發(fā)電機主軸軸段直徑的特點，將其簡化為一個截面變化的階梯狀的空心旋轉(zhuǎn)軸系[6].最后對機組的導(dǎo)軸承做彈性處理，將其模擬成一定剛度系數(shù)的彈簧[7].用梁單元模擬軸系的葉輪和電機的簡化模型，用線性彈簧單元模擬軸承部分，用梁單元模擬軸系本體[8－9].材料的彈性模量E＝2.1×1011N/m2，密度＝7850kg/m3，泊松比μ＝0.3.最終建立主軸模型如圖1所示.

按照表1中的參數(shù)，在葉輪和電機中心位置分別設(shè)置集中質(zhì)量單元[10].用來模擬機組三個導(dǎo)軸承部分的彈簧單元，只考慮沿著彈簧方向的傳導(dǎo)力.并在軸的水平和垂直方向分別設(shè)置兩個一維彈簧單元，對于不同截面積的梁單元要根據(jù)具體圖紙參數(shù)設(shè)置不同的截面參數(shù)[11].最后選擇合適的解算方法進(jìn)行計算，機組軸系的撓度分布和應(yīng)力分布分別如圖2、3所示.

根據(jù)圖2、3所示的計算結(jié)果，機組的軸系最大撓度1.870mm，發(fā)電機的中心撓度0.390 mm，機組轉(zhuǎn)輪中心的撓度1.100 mm，靜止?fàn)顟B(tài)下軸系的最大彎曲應(yīng)力為13.70MPa.

圖1 主軸的模型Fig.1 Model of the spindle

圖2 機組軸系靜止?fàn)顟B(tài)下的撓度分布Fig.2 Deflection distribution of generator－unit shaft under static statues

圖3 機組軸系靜止?fàn)顟B(tài)下的應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of generator－unit shaft under static statues

2 水輪機整體流道流動分析

軸伸貫流式水輪發(fā)電機組基本參數(shù)如表2所示.

表2 發(fā)電機組基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of hydroelectric generating set

根據(jù)某機組圖紙的參數(shù)，建立了三維計算模型如圖4所示.

結(jié)合軸伸貫流式是機組的運行特點，需要對于流道的定常計算條件進(jìn)行設(shè)置.采用壓力進(jìn)口條件，根據(jù)水輪機的上游水位給定隨深度變化的靜壓[12]，具體靜壓分布如圖5所示.出口條件采用靜壓出口條件，即在尾水管出口處，按下游水位給定隨深度變化的靜壓，具體數(shù)值分布如圖6所示.轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速按照表2中的數(shù)據(jù)設(shè)置.

圖4 機組全流道三維模型Fig.4 Three－dimensional model ofHydroelectric Generating Set in the whole flow passage

圖5 流道的進(jìn)口壓力條件Fig.5 Pressure conditions of inlet flow passage

圖6 流道的出口壓力條件Fig.6 Pressure conditions of outlet flow passage

計算流場中，流道的壁面采用無滑移邊界條件.為了模擬水輪機組中流體的整體流動，采用Reynolds平均N－S方程和不可壓縮流體的連續(xù)方程.并使用了SST k－ω雙方程湍流模型對方程組進(jìn)行封閉.

額定工況下，機組整體流道流動分析計算結(jié)果如圖7～10所示.

圖7 流道中座環(huán)的應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution of stay ring inflow passage

圖8 流道中導(dǎo)葉的應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of guide vane in flow passage

圖9 流道中槳葉的應(yīng)力分布Fig.9 tress distribution of blade in flow passage

根據(jù)如圖10可得出機組轉(zhuǎn)輪的軸向所受的水推力是516 931 N.按飛逸工況下的參數(shù)設(shè)置同樣可計算出飛逸工況下轉(zhuǎn)輪的軸向所受水推力是234354 N.座環(huán)、導(dǎo)葉以及槳葉的壓力分布都在合理范圍之內(nèi)，機組關(guān)鍵部件的性能參數(shù)符合動力特性的要求.

圖10 全流道的流線圖Fig.10 Streamline figure ofthe whole flow passage

3 結(jié)論

1)綜合以上的分析數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)機組的軸系、發(fā)電機中心、機組轉(zhuǎn)輪中心的最大撓度分別為1.870、0.390、1.100 mm，都在合理的范圍之內(nèi).靜止?fàn)顟B(tài)下軸系的最大彎曲應(yīng)力為13.70MPa.根據(jù)當(dāng)前提供的荷載大小和施加的約束條件，該軸系的撓度值很小，彎曲應(yīng)力也是處于非常安全的范圍之內(nèi).該軸伸貫流式水輪發(fā)電機組的軸系動力特性符合設(shè)計性能要求.

2)基于ANSYS的機組關(guān)鍵部件動力特性的有限元分析，所涉及的計算過程比較完善的模擬了整體和局部的受力動態(tài)特性.最后的分析表明，此發(fā)電機組成結(jié)構(gòu)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求.相比于傳統(tǒng)要借助于人工經(jīng)驗的計算方法，工作效率得到了顯著提高，節(jié)約了工程項目的設(shè)計時間，其精度也更能滿足要求.

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責(zé)任編輯:時 凌

Dynamic Characteristics Analysis for Key Components of Shaft Extension Tubular Hydroelectric Generating Set

XU Chao1，LONG Yang1，GENG Dongshan2，LIAO Honghua2，YUAN Hailin2，LI Shaowu1
(1.Science and Technology College of Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China；2.School of Information and Engneering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China)

Based on theoperating characteristics of shaft extension tubular hydroelectric generating set，this paper makesa dynamic characteristics analysis for key components of shaft extension tubular hydroelectric generating set by using ANSYS in order to guarantee the safety of the operation.In the whole process of analysis，the overall and local stress characteristics are fully simulated，and the computational accuracy is high.The results show that this structure meets the design requirements.Compared with the traditional calculation method，this method significantly improves work efficiency and saves time for project design and its precision can meet higher requirement.It provides the research methods forstructural optimization of shaft extension tubular hydroelectric generating set.

hydroelectric generating set(HGS)；finite element；dynamic characteristics；ANSYS

TH123.4

A

1008－8423(2017)01－0063－03

10.13501/j.cnki.42－1569/n.2017.03.015

2016－12－06.

國家自然科學(xué)基金項目(61463014；61263030).

徐超(1984－)，男(土家族)，碩士，主要從事電力系統(tǒng)及其自動化的研究.