水轮机蜗壳不同埋设方式的流道结构刚强度分析

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1、水利学报年月第卷第期文章编号水轮机蜗壳不同埋设方式的流道结构刚强度分析张运良马震岳程国瑞陈婧大连理工大学土木水利学院辽宁大连摘要对蜗壳三种典型埋设方式采用有限元方法分析和讨论了设置伸缩节与止推环对某巨型蜗壳结构整体受力特征和变形特性的影响并对各方案进行了评价研究表明从降低混凝土拉应力和提高钢衬承载比来看垫层方案优于保压方案保压方案优于直埋方案从流道系统的变形来评价直埋方案优于垫层方案和保压方案但从蜗壳外包混凝土的整体变形来看直埋方案则劣于垫层方案无论是对于垫层方案或是保压方案是否设置伸缩节和止推环对蜗壳应力状态影响均较小同时设置或取消伸缩节和

2、止推环从流道系统钢结构的整体轴向刚度和抗扭转刚度来评价垫层方案比保压方案有所降低或基本相当对于垫层方案若取消伸缩节可考虑取消止推环对于保压方案若设置伸缩节则建议设置止推环本文可为蜗壳埋设方式的优化选择提供参考关键词水利水电工程蜗壳埋设方式伸缩节止推环数值模拟中图分类号文献标识码问题的提出中国正在建设和将要建设一批巨型水电站工程如三峡龙滩小湾拉西瓦溪洛渡等单机容量均为级压力管道和蜗壳等引水系统的尺寸巨大设计水头与钢蜗壳进口管径之积值高例如三峡水轮机蜗壳平面最大宽度为水轮机钢蜗壳进口直径达进口断面设计内水压力为含水锤压力值将达到是世界上混流式水轮

3、机尺寸最大的蜗壳目前国内外大中型中高水头机组厂房蜗壳埋设方式主要采取三种方案在钢蜗壳外上部一定范围内铺设软垫层后浇筑外围混凝土简称垫层方案钢蜗壳在充水并保持一定的压力水头下浇筑外围混凝土简称保压方案钢蜗壳外直接浇筑混凝土蜗壳与外围混凝土完全联合承载简称直埋方案这三种蜗壳埋设方式各有特点在国内外均有不少成功应用的实例对于值特别高的蜗壳结构国外采用保压方案如伊泰普水电站和大古力水电站等和直埋方案如前苏联的萨扬舒申斯克水电站等的相对较多国内多采用垫层方案单机容量最大的为李家峡水电站以后更大的工程如二滩三峡左岸电站小湾以及所有大型抽水蓄能电站均采用了

4、保压方案对此已有较多的研究广义的水轮机流道结构包括从厂坝间伸缩节或止推环以后的蜗壳进口段蜗壳座环和座环立柱等组成的引水与导水系统流道结构除承受巨大的内压水头外还与外围钢筋混凝土结构共同组成机组的下部支撑体系承受径向不平衡力和竖向荷载同时还承受较大的切向水力不平衡推力因此如何保证流道结构的刚度和强度安全实现结构优化设计对于保证机组的安全稳定运行具有重要意义成为巨型工程迫切需要研究解决的课题之一蜗壳是不完全轴对称的内侧开口的半封闭蜗形结构内水压力的合力不为零在进口段会产生一个较大的轴向水推力相对于机组中心竖轴则是一个较大的扭矩在其作用下蜗壳可能产

5、生扭转变形从而影响到机组的运行稳定和结构安全不同的蜗壳埋设方式以及是否设置伸缩节与止推环由于收稿日期作者简介张运良男安徽亳州人讲师博士主要从事水工结构动力学和建筑物结构分析研究蜗壳与外围混凝土的接触约束条件不同变形特性也会产生差异国内过去对垫层蜗壳做过大量的研究但对于巨型工程近年来的研究相对较少直埋方案的研究相对更少本文试图利用全三维数值模拟方法以某巨型工程为计算实例重点探讨采用不同埋设方式是否设置伸缩节与止推环对巨型蜗壳的受力特征和变形特性的影响规律为巨型蜗壳埋设方式的优化选择提供参考流道结构数值模拟方法对于结构体型和组成异常复杂的蜗壳结构

6、有限元法数值模拟成为首选的分析工具当采用垫层蜗壳方案时钢板外围一部分与垫层接触一部分与混凝土接触并由于材料间存在着摩擦特性会造成一定的滑移和切向径向传力的不均匀因此采用摩擦接触问题进行模拟是必要的接触问题的数值模拟由于浇注时的冷缝和钢板没有加劲环等锚固件的存在蜗壳钢板与外围混凝土之间的结合形式不属于固定连接或铰接而应属于面面接触问题这类问题的特点是具有单边约束和未知接触区域接触区域的确定依赖于加载方式荷载水平接触面性质等因素属于边界待定非线性问题鉴于蜗壳的受力特点其面接触主要是法向压力接触和切向摩擦接触可以构建三维接触单元进行模拟其求解方法主

7、要包括直接迭代法和接触约束算法拉格朗日乘子法罚函数法以及扩展的拉格朗日法本文以大型结构分析软件作为平台支持三种接触方式点点点面面面的接触每种接触方式使用的接触单元适用于某类问题本文采用面面接触单元其具有如下优点与低阶和高阶单元都兼容支持有大滑动和有摩擦的大变形协调刚度阵计算单元提供不对称刚度阵的选择提供工程适用的更好的接触结果易于进行接触压力和摩擦应力的后处理能考虑壳和梁的厚度及壳厚度的改变半自动接触刚度计算计算中采用的四结点四边形单元模拟目标面四结点四边形单元模拟接触面采用扩展的拉格朗日乘子法进行接触问题的求解有限元计算模型取某一巨型工程为

8、计算实例计算模型尽可能按实际尺寸和形状模拟了流道系统的主要结构包括蜗壳钢衬管节厚度沿水流向变化座环环板固定导叶位置和走向垫层蜗壳外包混凝土和道止推环忽略压力钢管段加