大型灯泡贯流机静、动态特性有限元解析

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除大型灯泡贯流机整机静、动态特性解析马建峰 黄道锦 李铁军东芝水电设备（杭州）有限公司【摘要】本文利用有限元解析技术对大型灯泡贯流式整机进行了解析。主要对各种运行工况下的刚、强度结果进行了判定，同时对整机机组的模态频率进行了分析，为避免机组发生共振提供了依据和方向。【关键词】水轮发电机 有限元 模态频率Static and dynamic vibration characteristics analysis of the large bulb type turbine generator Ma jianfeng Huang daojin Li ti

2、ejunToshiba Hydro Power（Hang Zhou）Co., Ltd.Abstract: In this paper, a whole analysis of the large bulb type turbine generator is introduced by FEM (finite element method). The strength and stiffness of FEA results are discussed at all cases, and the modal frequency of the whole unit is obtained by m

3、odal analysis, which provides a foundation and direction to avoid renounce efficiently.Keyword: hydro generator, finite element method，modal frequency引言【精品文档】第 页我国低水头水力资源十分丰富，该资源大多处于江河中下游的经济发达地区，这些地区可开发的中、高水头资源基本基本已经开发的差不多。灯泡贯流式水电机组由于开挖量小、造价低而广泛应用于低水头水电站，因此有十分好的发展前景。与其它类型水电机组相比，该型机组的结构具有显著的特点：由灯泡头、冷

4、却套（或中间环）、定子机座组成的灯泡体与水轮机管形座、内导环组成一个整体，浸泡于流道内，整体承受外部水压的作用。而灯泡体重量、机组转动部件重量、灯泡体外部水压作用及在各种不同运行工况中所受的扭矩等则主要由管形座的上、下竖井传递到混凝土基础上；因此在不同运行工况下，机组受重力、水推力、水浮力、电磁力矩和磁拉力等载荷的作用，使整体结构的应力分布十分复杂。在机组设计过程中，必须清楚机组各部件的应力和变形情况、各部件之间的连接状况、作用于基础的支反力等，对保证机组的稳定性与强度安全是十分必要的。同时由于大型灯泡贯流式机组结构尺寸大，结构形状和受力更复杂，机组整体结构的刚强度研究是保证机组长期、安全、稳

5、定运行的一个重要课题。1. 机组基本数据本文的算例是某大型灯泡贯流机组，它的灯泡体最大直径为9240mm，最大长度为15300mm。主要参数如下额定转速: 71.4 r/min 最大出力: 44.4MW机组高程: 22.8 m 上游正常水位: 49 m最高水头: 14.39 m 上游洪水位: 46 m正向水推力:580 ton 图1.1 算例总图2. 有限元整机模型和边界条件建模和加载边界条件在软件MSC patran软件中进行。对机组主体结构选用板壳单元、定子铁心和混凝土选用三维实体单元，水平支撑和垂直支撑采用梁单元进行建模。整机模型和边界条件如下图2.1所示； 图2.1 整机模型和边界条件

6、由于整个灯泡体浸泡在水中，在不同的水平高度位置，对应的水头高度不同，最高点和最低点之差达17.5m，因此计算解析过程中我们运用了patran软件的压力梯度公式来自行确定，在压力载荷中，只需输入初始坐标所在的水平面的水压力值，通过基于竖直方向坐标的压力梯度公式即能解决这一问题。整个灯泡体在水中的浮力通过压力差来确定，压力计算公式如下所示：其中，表示某一点的高程坐标值,为位置处的压力,为参考点的平均压力。为沿方向的压力梯度。在解析中，我们选取了几种应力情况比较复杂工况；其中，以机组各个工况最大应力和最大位移来校核刚强度。主 要 的 计 算 工 况计 算 工 况工作水深(m)水轮机功率(MW)水推力

7、(t)充 水 工 况26.2/额 定 工 况23.241346最高水头最大出力26.244.4580甩 负 荷40.61/-580注：工作水深=（洪水位-机组中轴线高程） 甩负荷的工作水深为压力等效水深 3. 有限元计算结果和评价1）有限元计算结果对于灯泡贯流机来讲，由于活动导叶紧急关闭带来巨大的流场变化，整体最大综合（Von Misses）应力出现在甩负荷工况；各工况应力位移情况汇总计算工况最大综合应力最大综合位移最大Z向位移充 水 工 况96.92.72-1.60额 定 工 况1023.46 -1.66最高水头最大出力1194.36 -1.74甩 负 荷1413.45-1.55注：应力单位

8、MPa 位移单位mm 图3.1 甩负荷工况应力场剖面图甩负荷工况最大应力发生在管型座与水机竖井连接处。图3.2 甩负荷工况位移分布甩负荷工况最大轴向（水流方向）位移发生在管型座与水机竖井连接处。同时该机组最大的Z向位移（平行于竖井方向），发生在最高水头最大出力工况时。最大的位移发生在灯泡头部分。图3.3 最高水头最大出力工况位移分布2）有限元计算结果评价 计算结果表明，正向水推力存在（如额定工况和最高水头最大出力工况）时，最大综合位移出现在灯泡头处，其中最高水头最大出力工况时，灯泡头最大综合位移为4.36mm，该位移是灯泡贯流机各部件位移累加，实际灯泡头本体轴向位移（水流方向）为1.16mm。

9、 从计算结果可知：影响灯泡贯流机组的屈曲安全的主要部件是灯泡头，一旦灯泡头发生屈曲，直接会影响到灯泡头和中间环的水密封合缝面，造成流道中的水进入发电机定、转子造成重大事故。 通过专门解析计算最高水头最大出力工况时灯泡头和中间环的线性屈曲安全系数。计算得出灯泡体和中间环的屈曲安全系数较高为5.9以上，因此，机组在各种工况运行中都不会导致屈曲失稳现象 机组最大应力出现在甩负荷工况时，位置在管型座与水机竖井连接处，最大应力值为141MPa；机组最大综合位移为3.45mm，发生在管型座与水机竖井连接处。 从机组的结构来说，要受到巨大的浮力和水推力，水机管型座是承受各种力的主要的结构支撑部件，水平支撑和

10、垂直支撑只起到辅助支撑和防振作用。因此管型座安全至关重要。 最后对计算结果进行评判：该算例最大应力应力为141MPa；最大应力区域的管型座和水机竖井使用Q345材料，板厚为50mm，在甩负荷工况，标书要求1 250% Y.S；根据国标材料牌号 Q345-B 低合金结构钢 GB/T 1591-2008 屈服极限（板厚50mm）大于325MPa 得出许用应力162.5MPa，该机组管型座满足标书和设计要求；但该机组管型座有局部的应力集中情况存在，需要局部优化结构，排除不必要的集中应力，减少局部疲劳发生的可能。4. 有限元模态计算和评价1）有限元模态计算大型灯泡贯流机组由于其尺寸大，必须校核其模态防

11、止机组出现有害频率与固有的激励源重合产生共振情况。常见的激励源有各个工况的转频，如额定转速、飞逸转速等；也有水力结构产生的激励源，如额定转速和转轮叶片数之间关系产生的激励源以及飞逸转速和转轮叶片数之间关系产生的激励源；以上这些激励源的频率都是需要在设计时避开的，同时有限元计算的整体频率是无水状态下的进行的，实际频率受水的阻尼作用的影响，我们通过经验公式折算得出该机组灯泡体水中频率。模态计算边界条件基本相同，但要把转动部件以质量单元的形式加载到发电机导轴承和水轮机导轴承处；总共计算了10阶模态，结果如下表;无水情况下频率阶 次固有频率振 动 模 态17.495灯泡体左右振动28.897灯泡体前后

12、振动312.422灯泡体上下振动413.448灯泡体上下振动514.074灯泡体左右振动621.944内导环局部振动722.598灯泡体上下振动824.064灯泡体上下振动927.968灯泡体旋转振动1032.216灯泡体上下振动注：单位Hz 1阶详见图4.1,2阶详见图4.2通过经验公式折算得出有水情况下频率有水情况下频率阶 次固有频率振 动 模 态16.025灯泡体左右振动27.716灯泡体前后振动310.518灯泡体上下振动411.806灯泡体上下振动512.132灯泡体左右振动注：取前五阶判断，单位Hz阶 次影响百分比振 动 模 态124.39%灯泡体左右振动215.3%灯泡体前后振动

13、318.1%灯泡体上下振动413.9%灯泡体上下振动516%灯泡体左右振动水的惯性质量对频率影响注：影响百分比=（有水-无水）/无水X100%图4.1灯泡体左右振动（无水1阶） 图4.2灯泡体前后振动（无水2阶）计算表明，水的惯性质量对最终频率还是有很大的影响。由于水的阻尼作用，固有频率的值有所减小。机组整体最低阶的固有频率出现在灯泡体左右振动的模态考虑综合影响推算出的最低阶固有频率为6.025HZ，比激振频率4.765 HZ (额定转速乘转轮叶片数)高出很多，排除了机组发生整体共振的可能性。5. 结束语综上所述，通过对该大型灯泡贯流式机组泡体整体结构在各种工况下的详细分析计算，可以看出，各个工况的应力和位移都满足设计标准和合同要求。由此我们认为，该机组在刚度和强度方面是安全的，能够保证机组正常、可靠地运行。而且灯泡体和中间环的屈曲安全系数较高为5.9以上，机组在运行中不会导致屈曲失稳现象，同时机组没有整体共振的可能性。【参考文献】1. 张明 翻译自透平机械，1986，Vol.14 No.6 27-332. MSC.Patran User manual3MSC.Nastran User manual【作者简介】