何 濤，曾 征，蔣柏勛，江 蓉

（重慶水輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，重慶 400054）

0 概述

某電站安裝有2臺容量為22.5 MW的立式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號為SF22.5-14/3900，設(shè)計(jì)年利用小時數(shù)為5000 h，豐水期每臺每天凈發(fā)電量約為50萬kW·h。在最近一次日常維護(hù)中，2號機(jī)組位于發(fā)電機(jī)上機(jī)架底部的支撐筋出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重威脅機(jī)組的運(yùn)行安全。

該水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)為三支點(diǎn)懸式結(jié)構(gòu)，上機(jī)架安裝在定子機(jī)座上，推力軸承置于其中心體之內(nèi)，整個機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的軸向推力負(fù)荷全部由上機(jī)架進(jìn)行承載，該載荷最終由定子機(jī)座間接地傳遞給混凝土基礎(chǔ)。 因此，從機(jī)組軸向受力情況來看，上機(jī)架是支撐著整個轉(zhuǎn)動部分的脊梁，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不容忽視。

水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架整體幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若要快速準(zhǔn)確地校核上機(jī)架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，采用傳統(tǒng)的手工計(jì)算，目前似乎不大現(xiàn)實(shí)。據(jù)此，本文運(yùn)用CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程）仿真技術(shù)，采用FEM（Finite Element Method,有限單元法），對出現(xiàn)問題的上機(jī)架剛強(qiáng)度進(jìn)行分析，找到了出現(xiàn)裂紋的根本原因，為改造方案的順利完成奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

發(fā)電機(jī)上機(jī)架有4條支腿，俯視呈輻射狀軸對稱，支腿圍繞中心體與其焊接成為一體。使用材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，其牌號為Q235-A，彈性模量E為2.068×1011Pa， 剪切模量 G 為 8.016×1010Pa， 泊松比為 0.29， 密度 γ 為 7.82×103kg·m－3， 環(huán)境溫度 Tref21.85℃；機(jī)械性能參數(shù)見表1。

表1 材料Q235-A機(jī)械性能參數(shù)

因上機(jī)架四條支腿中有兩支腿之間存在一較短的支撐筋板，為確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，按照設(shè)計(jì)提供的圖紙尺寸，對上機(jī)架整體進(jìn)行建模，除所有連接螺孔、銷孔、限位止口和密封槽等細(xì)微特征外，其余特征均按實(shí)際尺寸進(jìn)行創(chuàng)建，得到三維實(shí)體幾何模型如圖1a所示。

1.2 有限元模型

對上機(jī)架實(shí)體模型采用非線性四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，原始結(jié)構(gòu)模型劃分網(wǎng)格共產(chǎn)生單元數(shù)為142564，節(jié)點(diǎn)數(shù)為284389。對有限元模型進(jìn)行檢查，無扭曲或變形的單元出現(xiàn) （如圖1b所示）。

圖1 上機(jī)架三維模型 （原始結(jié)構(gòu)）

1.3 邊界條件

在機(jī)組靜止時，上機(jī)架軸向載荷僅含發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪重及其聯(lián)接轉(zhuǎn)軸的自重；當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時，軸向載荷除含上述零部件本身的自重外，還要承受水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受水流沖擊而產(chǎn)生的軸向水推力作用，此時上機(jī)架工作在最惡劣工況。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量 M1為 71500 kg，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪質(zhì)量 M2為4500 kg，聯(lián)軸質(zhì)量Ms為18465 kg，軸向水推力T為637455 N。

為了獲得該上機(jī)架的真實(shí)受力狀況，本文取最惡劣工況下的軸向載荷為其考核載荷。分析時，對上機(jī)架的四只腳板進(jìn)行固定約束。

2 數(shù)值分析

運(yùn)用有限元分析軟件I－Deas對該上機(jī)架模型進(jìn)行分析求解，原始結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力值σvm為297 MPa，最大位移值δ為1.23 mm；改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力值σvm為116 MPa，比原始結(jié)構(gòu)下降60.9%，最大位移值為1.05 mm，比原始結(jié)構(gòu)下降14.6%。

2.1 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過分析可知，該上機(jī)架整體最大等效應(yīng)力值為297 MPa，出現(xiàn)在支腿下方豎筋邊沿 （如圖2所示），這與現(xiàn)場照片 （如圖3所示）裂紋出現(xiàn)位置一致。

圖2 最大等效應(yīng)力值及其分布云圖 （原始結(jié)構(gòu)）

圖3 電站現(xiàn)場照片

因該上機(jī)架產(chǎn)生最大峰值應(yīng)力處的豎筋厚度為24 mm，根據(jù)碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235－A的機(jī)械性能可知，此值已經(jīng)超過其屈服強(qiáng)度72 MPa，且該位置處的受力性質(zhì)主要為彎曲應(yīng)力，安全系數(shù)僅為75.8%。根據(jù)材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論的判別準(zhǔn)則，可知原上機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度存在不足，安全裕度偏小，最終導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。

2.2 改進(jìn)方案

結(jié)合該電站現(xiàn)場照片和上述分析結(jié)果，考慮上機(jī)架在機(jī)組中的實(shí)際安裝空間，以及現(xiàn)場施工的可操作性等因素，對出現(xiàn)裂紋的筋板及其附近高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行局部處理，其余結(jié)構(gòu)特征保持不變。

按照上述處理思路，經(jīng)過多個方案的分析比較，最終確定在原出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)的豎筋正下方補(bǔ)焊寬80 mm厚24 mm的鋼板，其他局部也做適當(dāng)加強(qiáng)，以消弱較高和較集中的高應(yīng)力區(qū)，彌補(bǔ)原上機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的不足，上機(jī)架三維實(shí)體模型改進(jìn)前后對比如圖4所示。

改造后上機(jī)架結(jié)構(gòu)模型劃分網(wǎng)格共產(chǎn)生單元數(shù)為171812，節(jié)點(diǎn)數(shù)為337564。對有限元模型進(jìn)行檢查，無扭曲或變形的單元出現(xiàn)。

圖4 上機(jī)架三維模型改進(jìn)前后對比

圖5 最大等效應(yīng)力值及其分布云圖 （改進(jìn)結(jié)構(gòu)）

圖6 最大位移值及其分布云圖 （改進(jìn)結(jié)構(gòu)）

通過分析可知，改進(jìn)后的上機(jī)架最大等效應(yīng)力值為116 MPa，出現(xiàn)在上環(huán)板與支腿合縫板聯(lián)接處（如圖5所示），此位置板厚45 mm，與原始結(jié)構(gòu)相比，最大等效應(yīng)力值凈降低60.9%，理論安全系數(shù)為1.85；最大位移值從1.23 mm降為1.05 mm，并且應(yīng)力分布均勻 （如圖6所示），材料利用率較高，強(qiáng)度和剛度均有所改善，達(dá)到改造的預(yù)期目的。

3 結(jié)語

項(xiàng)目組通過FEA軟件圓滿完成了對上機(jī)架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，徹底排除了電站的安全隱患，為其恢復(fù)運(yùn)行爭取了寶貴的時間，其經(jīng)驗(yàn)表明:

（1）利用CAE技術(shù)對原上機(jī)架進(jìn)行分析，其最大應(yīng)力值的出現(xiàn)位置與在現(xiàn)場照片上顯示的裂紋產(chǎn)生的位置完全一致，表明此分析結(jié)果是值得信賴的。

（2）改進(jìn)后的上機(jī)架結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布均勻，強(qiáng)度和剛度均有所增強(qiáng)，材料利用率大大提高，表明此結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)效果顯著，并且現(xiàn)場操作性較強(qiáng)。

（3）利用CAE技術(shù)對上機(jī)架結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對用戶來說具有高效性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性，是傳統(tǒng)手工計(jì)算無法超越的一種技術(shù)手段，這對今后類似結(jié)構(gòu)的上機(jī)架，無論是技術(shù)設(shè)計(jì)還是產(chǎn)品改進(jìn)，都具有重要的工程參考價值。

［1］GB/T 700—2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼［S］.

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［3］譚彬，方文.中型水輪發(fā)電機(jī)上機(jī)架剛強(qiáng)度分析［J］.東方電機(jī),2003， 31（4）:313-318.

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