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1、水利学报2006年10月SHUILIXUEBAO第37卷第10期文章编号:055929350(2006)1021206206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116024)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,(1)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
2、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。(2)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。(3)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
3、分类号:TV731;TU31113文献标识码:A1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700MW级,压力管道和蜗壳等引水系统的尺寸巨大,HD(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341325m,水轮机钢蜗壳进口直径达1214m、进口断面设计内水压力2为11395MPa(含水锤压力),HD值将达到1730m,是世界上混流式水轮机尺寸最大的蜗壳。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
4、案:(1)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;(2)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;(3)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HD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[1,2]滩、三峡左
5、岸电站、小湾以及所有大型抽水蓄能电站,均采用了保压方案,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
6、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:2005210209作者简介:张运良(1973-),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。E2mail:zhangyl@dl.cn—1206—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。[3～6]国内过去对垫层蜗壳做过
7、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。2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,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
8、擦接触问题进行模拟是必要的。211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
