不同结构活塞杆动应力分析

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1、第26卷第4期福建电力与电工ISSN1006-01702006年12月FUJIANDIANLIYUDIANGONGCN35-1174/TM不同结构活塞杆动应力分析1234陈国栋丁铭郑冬梅王正伟(1.福建省电力试验研究院,福建福州350007;2.福建省电力有限公司,福建福州350003;3.福建水口发电有限公司,福建闽清350800;4.清华大学,北京100084)摘要:分析了水轮机全流道的流动特性;计算了作用在水口水电厂水轮机桨叶上的水力激励力,并按结构尺寸关系计算出活塞杆受到的水力激励力,进一步分析了水力激励作用下的

2、活塞杆动应力。根据计算,采用螺栓与卡环这两种结构活塞杆的应力集中位置正是活塞杆断裂的位置。在4个工况下,两种结构的应力值都在90～150MPa范围内,而高水头小负荷工况下,卡环结构的动应力可达40MPa以上,总体看活塞杆安全系数偏小。关键词:轴流式水轮机;活塞杆;疲劳断裂;动应力+中图分类号:TK733.3文献标识码:A文章编号:1006-0170(2006)04-0014-051引言度限σb=495MPa,屈服限σs=295MPa,拉伸疲劳极限σ-1=200MPa。福建省水口水电厂位于闽江干流,共装设7台卡环结构活塞杆

3、断裂示意图如图1。为计算活ZZA315-LJ-800轴流转桨式水轮发电机组,单机容塞杆的动应力,先分析活塞杆的受力情况。图2是桨量为200MW,总装机容量为1400MW。水口水电厂叶调节机构的力传递关系图。由图2可见,桨叶绕枢6号机组于1995年11月投产发电,2000年2月10轴方向的扭矩是活塞杆的受力源。通过水力计算,可日第一次出现水轮机桨叶活塞杆断裂,断口位于活确定单个桨叶绕枢轴方向的扭矩Tb。由于近年来水塞杆M540螺纹与操作架结合处。这次事故后,该厂口水电厂的运行水头大多在57m左右,最高水头达将活塞杆结构由螺

4、栓结构改成为卡环结构。2006年到61m,因此通过57.3m和61m两个运行水头下3月16日,卡环结构的活塞杆也发生类似断裂,桨叶的4个典型工况(其中两个工况水轮机功率为215活塞杆在与操作架下卡环联结处彻底断裂。MW,另两个工况水轮机功率为100MW)的全流道为探究活塞杆断裂事故的原因,特别是水力因不稳定CFD计算,分析不同工况下活塞杆的典型动素对活塞杆受力的影响,2005年5月开始,福建省应力情况。4个典型计算工况的参数如表1所示。专电力试验研究院、水口发电公司与清华大学一起开门建立的水口机组从蜗壳进口至尾水管出口(

5、包括展了螺栓结构和卡环结构的活塞杆的动应力特性的蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、转轮室、尾水管等)分析研究。本文简单介绍这次分析研究的部分内容,以期有助于水口水电厂机组活塞杆的结构分析、结构改进和运行维护。2计算模型及操作架作用力分析水口水电厂水轮机转轮原装配中,操作架与活塞杆的联接采用M540螺母把合螺杆,螺杆材料为锻断掉的活塞杆头部钢20SiMn,其强度限σ=441MPa,屈服限σ=245bsMPa,拉伸疲劳极限σ=170MPa。-1掉下的卡环2000年2月10日第一次出现桨叶活塞杆断裂,其后对传力结构进行了改造,操

6、作架与活塞杆的联接采用卡环。活塞杆材料采用精炼锻钢20SiMn,其强图1卡环结构活塞杆断裂示意图-14-整体流道的模型如图3所示。只要给定蜗壳进口总力Q0的作用,其轴向总的受力Fz可以用式(1)表示。压条件及尾水管出口静压条件,就可以进行各种工F=Q+khsF(1)z0czjk+k况组合(不同水头、不同桨叶角度和导叶开度)的流hsczj式中k——活塞杆的刚度系数;场动态水流分析。螺栓结构与卡环结构活塞杆的受hsk——操作架的刚度系数。力分析见图4。czj根据设计数据,螺栓结构活塞杆的刚度系数k=53.26×106N/mm

7、,操作架的刚度系数k=102.46×hsczj106N/mm,活塞杆的预紧伸长量l为0.2mm,于是hskhskhsFz=QO+Fczj=khslhs+Fczjkhs+kczjkhs+kczj53.26×106=53.26×106×0.2+F66czj53.26×10+102.46×10=10.652×106+0.342F(N)czj操作架作用力F由单个桨叶绕枢轴方向的扭czj矩Tb换算得到。不同工况单个桨叶绕桨叶枢轴扭图2桨叶调节机构的力传递关系矩,可以通过不同的工况条件,全流道流场非稳定流场计算中,由桨叶正、背面压力

8、分布对桨叶枢轴形成的扭矩而得出。对于不同的工况,由于桨叶转角不同,转臂、连板和操作架的几何关系不一样,因此,由单个桨叶绕枢轴方向的扭矩换算出操作架作用力Fczj的换算系数也是不一样的。假设在同一工况下水轮机每个桨叶受到相同的水作用力,可以得出不同的工况的操作架作用力换算公式。GK1:Fczj=6×1.4297Tb=8