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株溪口水電廠機(jī)組轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)安全數(shù)值分析

文檔作者：張寶慶1 陳伽1 彭育斌1 王華2 田海平3 謝捷敏3 文檔來(lái)源： 1. 五凌電力株溪口水電廠 2. 湖南五凌電力工程有限公司 3. 湖南省電力公司電力科學(xué)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月30日
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4
第41 卷 第5 期
2018 年5 月
水 電 站 機(jī) 電 技 術(shù)
Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station
Vol.41 No.5
May.2018
株溪口水電廠機(jī)組轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)安全數(shù)值分析
張寶慶1 ，陳 伽1 ，彭育斌1 ，王 華2 ，田海平3 ，謝捷敏3
(1. 五凌電力株溪口水電廠，湖南 益陽(yáng) 413000；2. 湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；
3. 湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）
摘 要： 建立了株溪口水電廠燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的三維模型，采用有限元法，對(duì)轉(zhuǎn)輪室的動(dòng)靜力特性和疲勞
進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：模態(tài)計(jì)算顯示機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪室的固有頻率應(yīng)在37~47 Hz，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)輪室
振動(dòng)頻率為葉片頻率，轉(zhuǎn)輪室無(wú)共振風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)輪室的振動(dòng)屬于水力作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)，轉(zhuǎn)輪室剛度偏小，引起振動(dòng)
偏大。轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行要求，出現(xiàn)疲勞破壞的可能性較低。計(jì)算結(jié)果為保障轉(zhuǎn)輪室安全運(yùn)行提
供了重要技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)輪室；動(dòng)靜力特性；疲勞；有限元
中圖分類(lèi)號(hào)：TK730 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5387(2018)05-0004-05
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2018.05.002
收稿日期： 2018-02-28
作者簡(jiǎn)介： 張寶慶（1964-），男，高級(jí)工程師，從事水電廠生產(chǎn)技術(shù)管
理工作。
0 概述
株溪口水電廠裝有4 臺(tái)18.5 MW 燈泡貫流式
水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFWG18.5-64/6400，
水輪機(jī)選用安德里茨新開(kāi)發(fā)的三葉片轉(zhuǎn)輪，其輪轂
比為0.34，型號(hào)為GZ-WP-630，機(jī)組由浙江富春江
水電設(shè)備有限公司制造，于2008 年投產(chǎn)發(fā)電[1,2]。
機(jī)組投產(chǎn)后，燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室存在諸多結(jié)構(gòu)
安全問(wèn)題，影響機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此，本文
對(duì)轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行了結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果分
析了轉(zhuǎn)輪室的固有頻率和疲勞狀態(tài)。
1 轉(zhuǎn)輪室基本情況
株溪口電廠貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)尺寸如圖1
所示。轉(zhuǎn)輪室由鋼板焊接而成，總長(zhǎng)度3 750 mm，
總重26 t，由球面段、喉管段、直錐段、伸縮段幾部分
焊接而成，外面設(shè)有四道環(huán)筋，轉(zhuǎn)輪室與葉片相關(guān)部
分為球面。喉管部分用0Cr13Ni5Mo 不銹鋼材料，
長(zhǎng)度為1 m，其他轉(zhuǎn)輪室部位為普通Q235 鋼，轉(zhuǎn)輪
室壁厚均為32 mm。為便于安裝和檢修，轉(zhuǎn)輪室分
為上下兩半，用螺栓連接。
2 計(jì)算模型與工況
轉(zhuǎn)輪室有限元模型采用ANSYS 高階3 維10 節(jié)
點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元Solid187 單元，Solid 187 單元具有
二次位移模式，可以更好的模擬不規(guī)則的模型。單
圖1 轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)尺寸
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第 5 期 5
元通過(guò)10 個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義, 每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3 個(gè)沿著X、Y、
Z 方向平移的自由度。單元支持塑性、超彈性、蠕變、
應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變能力。株溪口轉(zhuǎn)輪室結(jié)
構(gòu)材料為Q235 和部分不銹鋼0Cr13Ni5Mo，故其彈
性模量可取為E=2.00×105 N/mm2，泊松比γ=0.30，
密度ρ=7870 kg/m3。采用三維二次四面體單元Solid
187 建立有限元模型，模型包括外配水環(huán)、轉(zhuǎn)輪室、
伸縮節(jié)剛體環(huán)、加勁板（環(huán)）整體三維有限元模型節(jié)
點(diǎn)總數(shù)為50 444 個(gè)。轉(zhuǎn)輪室的基本尺寸和空間有
限元網(wǎng)格[3] 如圖2、圖3。
（a）橫剖面圖 （ b）縱剖面圖
圖2 轉(zhuǎn)輪室設(shè)計(jì)圖
（a）有限元幾何模型 （ b）有限元網(wǎng)格模型
圖3 轉(zhuǎn)輪室有限元模型
有限元整體分析模型的坐標(biāo)系選擇為：X 軸為
順?biāo)鞣较?，以下游為正，Y 軸為橫水流方向，以左
為正，Z 軸為垂直水流方向，以上為正。約束條件取
為：轉(zhuǎn)輪室上游法蘭面處采用固定約束。
轉(zhuǎn)輪室計(jì)算工況如表1。
表1 計(jì)算工況表
工況荷載
1
轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁施加正常蓄水位水壓（水位高程87.5m）+ 自重
荷載
2
轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壁施加校核洪水位水壓（水位高程90.56m）+ 自
重荷載
3 空氣模態(tài)
4 有水模態(tài)
3 計(jì)算模型與工況靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果
靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2。
表2 計(jì)算結(jié)果
計(jì)算內(nèi)容工況1 工況2
轉(zhuǎn)輪室應(yīng)力
/MPa
等效應(yīng)力0.1~28.4 0.1~32.8
第一主應(yīng)力-5.7~22.8 -6.7~25.9
第二主應(yīng)力-7.1~9.7 -8.3~10.8
第三主應(yīng)力-31.3~3.2 -36.2~3.6
轉(zhuǎn)輪室位移
/mm
X 方向最大位移0.12 0.13
Y 方向最大位移0.23 0.26
Z 方向最大位移0.37 0.41
最大合位移0.39 0.43
工況1：轉(zhuǎn)輪室的最大等效應(yīng)力為28.4 MPa，位
于轉(zhuǎn)輪室底部中心偏上游的位置。X 向位移最大達(dá)
0.12 mm，Y 向位移最大達(dá)0.23 mm，Z 向位移最大
達(dá)0.37 mm，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)的合位移最大達(dá)0.38 mm，
最大位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪室底部中心偏下游的位置。轉(zhuǎn)
輪室位移如圖4，應(yīng)力如圖5。
圖4 工況1 轉(zhuǎn)輪室位移云圖
圖5 工況1 轉(zhuǎn)輪室應(yīng)力云圖
張寶慶，等：株溪口水電廠機(jī)組轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)安全數(shù)值分析
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
6 水 電 站 機(jī) 電 技 術(shù)第41 卷
工況2：轉(zhuǎn)輪室的最大等效應(yīng)力為32.8 MPa，位
于轉(zhuǎn)輪室底部中心偏上游的位置。X 向位移最大達(dá)
0.13 mm，Y 向位移最大達(dá)0.26 mm，Z 向位移最大
達(dá)0.41 mm，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)的合位移最大達(dá)0.43 mm，
最大位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪室底部中心偏下游的位置。轉(zhuǎn)
輪室位移如圖6，應(yīng)力如圖7。
圖6 工況2 轉(zhuǎn)輪室位移云圖
圖7 工況2 轉(zhuǎn)輪室應(yīng)力云圖
4 模態(tài)計(jì)算結(jié)果
空氣與有水工況模態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，模態(tài)振
型如圖8、圖9。
5 疲勞分析
疲勞分析中鋼材的S~N 曲線至關(guān)重要，對(duì)于
Q235A，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，極限強(qiáng)度為460
MPa，不同的殘余應(yīng)力有S~N 曲線如下頁(yè)圖10。
按規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，給定1×106 的循環(huán)次數(shù)為
上限即疲勞壽命無(wú)限大，可知?dú)堄鄳?yīng)力和允許應(yīng)力
關(guān)系如表4。
表4 轉(zhuǎn)輪室殘余應(yīng)力與允許應(yīng)力關(guān)系
殘余應(yīng)力/MPa 0 200 300 400
允許應(yīng)力/MPa 86.2 35.4 21.8 8.18
根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，水壓脈動(dòng)幅值取20% 校核
洪水位水壓，計(jì)算轉(zhuǎn)輪室的等效應(yīng)力幅值如圖11。
最大動(dòng)應(yīng)力為10.74 MPa，對(duì)比表4 可知，殘余應(yīng)力
在400 MPa 的允許應(yīng)力小于最大動(dòng)應(yīng)力，300 MPa
以?xún)?nèi)的殘余應(yīng)力均大于允許應(yīng)力，基本不會(huì)產(chǎn)生疲
表3 計(jì)算結(jié)果
階數(shù)空氣中模態(tài)頻率/Hz 有水模態(tài)頻率/Hz
1 47.03 37.16
2 51.36 40.22
3 55.50 42.80
4 56.50 45.65
5 76.97 48.62
6 83.94 49.47
7 84.50 54.34
8 85.52 69.12
9 103.57 73.43
10 105.27 82.39
f1=47.03 Hz f2=51.36 Hz
f3=55.50 Hz f4=56.50 Hz
f5=76.97 Hz f6=83.94 Hz
圖8 空氣中模態(tài)振型
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第 5 期 7
勞破壞。因此，應(yīng)進(jìn)一步計(jì)算殘余應(yīng)力在400 MPa
的疲勞，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖12、圖13。
由圖12、圖13 可知，轉(zhuǎn)輪室在殘余應(yīng)力400
MPa 下疲勞破壞最小循環(huán)次數(shù)為4.54×105 次，最危
險(xiǎn)地方為轉(zhuǎn)輪室底部中心偏上游處。此時(shí)頻率若為
0.1、0.5、1、5、10 Hz，則疲勞破壞時(shí)間分別為52.5 d、
10.5 d、5.25 d、1.05 d、0.53 d，顯然都是不允許的。
6 結(jié)論
（1）對(duì)于正常蓄水位，轉(zhuǎn)輪室的最大等效應(yīng)力為
28.4 MPa，位于轉(zhuǎn)輪室底部中心偏上游的位置。X
向位移最大達(dá)0.12 mm，Y 向位移最大達(dá)0.23 mm，
Z 向位移最大達(dá)0.37 mm，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)的合位移最大
達(dá)0.38 mm，最大位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪室底部中心偏下
游的位置。
（2）對(duì)于校核洪水位，轉(zhuǎn)輪室的最大等效應(yīng)力為
32.8 MPa，位于轉(zhuǎn)輪室底部中心偏上游的位置。X
圖11 20% 校核洪水位水壓作用下轉(zhuǎn)輪室等效應(yīng)力（MPa）
圖12 轉(zhuǎn)輪室能承受的最大疲勞循環(huán)次數(shù)（殘余應(yīng)力400 MPa）
圖13 轉(zhuǎn)輪室疲勞安全系數(shù)（殘余應(yīng)力400 MPa）
f1=37.16 Hz f2=40.22 Hz
f3=42.80Hz f4=45.65Hz
f5=48.62Hz f6=49.47Hz
圖9 有水模態(tài)振型
圖10 Q235A 在不同殘余應(yīng)力下的SN 曲線
（下轉(zhuǎn)第12 頁(yè)）
張寶慶，等：株溪口水電廠機(jī)組轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)安全數(shù)值分析
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
12 水 電 站 機(jī) 電 技 術(shù)第41 卷
把導(dǎo)瓦頂靠軸領(lǐng)，頂好后應(yīng)保持原位不變，調(diào)整支撐
螺釘球面與瓦背面的間隙，調(diào)好后把支持螺釘?shù)穆菽?
鎖住，再次復(fù)查，合格后即可進(jìn)行下一對(duì)瓦的調(diào)整工
作。整體調(diào)整完畢后，取下楔形塊或恢復(fù)小千斤頂。
4 結(jié)語(yǔ)
立式機(jī)組導(dǎo)軸承間隙的調(diào)整對(duì)機(jī)組運(yùn)行至關(guān)
重要。本文介紹的兩種導(dǎo)軸承間隙計(jì)算的方法，
適用于所有類(lèi)型立式水輪發(fā)電機(jī)組的分塊瓦導(dǎo)
軸承間隙計(jì)算，個(gè)人認(rèn)為其中圖解法更加簡(jiǎn)便實(shí)
用。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的機(jī)組，盤(pán)車(chē)和擺度測(cè)量的方
法也有很大區(qū)別，有時(shí)還需要我們?cè)趯?shí)踐中進(jìn)行
驗(yàn)證和總結(jié)。比如對(duì)于彈性支撐結(jié)構(gòu)的三導(dǎo)式機(jī)
組，以哪兩個(gè)導(dǎo)軸承作為限位導(dǎo)軸承進(jìn)行盤(pán)車(chē)，對(duì)
于機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)更有利，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)論。
在三板溪電廠彈性支撐半傘式機(jī)組大修中，實(shí)驗(yàn)
結(jié)果顯示，以上導(dǎo)和下導(dǎo)作為限位導(dǎo)軸承進(jìn)行盤(pán)
車(chē)較為適宜，對(duì)于其他類(lèi)似機(jī)組是否適用，還有待
于進(jìn)一步實(shí)踐驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)：
[1] 陳秀芝. 水輪發(fā)電機(jī)檢修[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，
2002.
[2] GB/T 8564-2003 水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].
[3] SL 668-2014 水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承、導(dǎo)軸承安裝調(diào)整工
藝導(dǎo)則[S].
圖6 楔子板結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軸承
圖7 支撐螺釘結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軸承
向位移最大達(dá)0.13 mm，Y 向位移最大達(dá)0.26 mm，
Z 向位移最大達(dá)0.41 mm，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)的合位移最大
達(dá) 0.43 mm，最大位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪室底部中心偏下
游的位置。
（3）轉(zhuǎn)輪室干模態(tài)下前10 階的固有頻率計(jì)算
結(jié)果分別為47.03 Hz、51.36 Hz、55.50 Hz、56.50 Hz、
76.97 Hz、83.94 Hz、84.50 Hz、85.52 Hz、103.57 Hz、
105.27 Hz。
（4）轉(zhuǎn)輪室濕模態(tài)下前10 階的固有頻率計(jì)算
結(jié)果分別為37.16 Hz、40.22 Hz、42.80 Hz、45.65 Hz、
48.62 Hz、49.47 Hz、54.34 Hz、69.12 Hz、73.43 Hz、
82.39 Hz。
（5）轉(zhuǎn)輪室疲勞分析中，殘余應(yīng)力為400 MPa 左
右時(shí)，才大于疲勞應(yīng)力中的允許應(yīng)力。對(duì)于水壓脈
動(dòng)為20% 校核洪水位水壓時(shí)，轉(zhuǎn)輪室在殘余應(yīng)力
400 MPa 下疲勞破壞最小循環(huán)次數(shù)為4.54×105 次，
最危險(xiǎn)地方為轉(zhuǎn)輪室底部中心偏上游處，此時(shí)頻率
若為0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz，則疲勞破壞時(shí)
間分別為52.5 d、10.5 d、5.25 d、1.05 d、0.53 d。由于
殘余應(yīng)力出現(xiàn)400 MPa 的可能性較低，故轉(zhuǎn)輪室出
現(xiàn)疲勞破壞可能也較低。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李華喜. 株溪口水電廠燈泡貫流式機(jī)組低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行優(yōu)
化研究[J]. 低碳世界, 2014（10）:113-114.
[2] 周玉明. GMH550 測(cè)振測(cè)擺系統(tǒng)在株溪口水電廠的實(shí)踐
與應(yīng)用[J]. 水電站機(jī)電技術(shù),2014（06）:64-69.
[3] 何昊. 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室設(shè)計(jì)方案的工藝與強(qiáng)度性能研究[J].
機(jī)械工程師, 2016（05）: 172-173.
（上接第7 頁(yè)）

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