1 前言

水輪機圓筒閥是法國Neyrpic(現ASLSTOM)公司于1947年提出的專利,它是一個位于水輪機導葉與轉輪或導葉與座環之間的可垂直移動的薄壁圓筒。機組停機時,該圓筒被移到導水機構的位置,切開水流,起到截流閥的作用。機組運轉時,圓筒藏于專門的腔中。

水輪機應用圓筒閥可以代替傳統的蝶閥或球閥,因而可以取消蝶閥室,縮小電站廠房寬度,減少吊車跨距等而降低電站投資。圓筒閥在水輪機運行時,沒有水力損失,提高了電站的效率。

鑒于圓筒閥上述優點,越來越多的電站采用了圓筒閥,尤其是近年來,我國大型水電機組采用圓筒閥的結構越來越多,如光照電站(哈電生產),小灣電站(VOITH SIEMENS生產),糯扎渡電站(哈電生產),長河壩電站(哈電生產)等等。

圓筒閥在機組停機時,主要承受外界的水壓力,因此要求圓筒閥不但具有足夠的強度,還應具有一定的穩定性,也就是說:對圓筒閥除了進行靜力分析之外,還應進行穩定性的屈曲分析。

本文根據某電站圓筒閥的結構尺寸,運用ANSYS軟件,對圓筒閥進行了非線性屈曲分析,并經有限元計算結果與GB150-1998經典計算結果進行了比較,結果表明:ANSYS軟件計算圓筒閥的屈曲分析可以滿足工程需要。

2 屈曲分析

在結構的屈曲分析中,常用分叉來描述。分叉點有代表結構兩個平衡路徑的交點,表明屈曲失穩的萌生位置,如圖1所示。

實際結構的另一個失穩位置表現為一個平衡位置快速通過,跳躍到另一個平衡位置,也稱為后屈曲,如圖2所示。除此之外,結構在局部高壓力作用下的起皺和表面重疊也是一種局部失穩形式。

對屈曲失穩問題的分析大致有兩大類:一類是通過特征值分析計算屈曲載荷,根據是
否考慮非線性因素對屈曲載荷的影響,這類方法又細分成線性屈曲和非線性屈曲分析。

線性屈曲分析的特點是:忽略了各種非線性因素和初始缺陷對屈曲失穩載荷的影響,對屈曲問題大大簡化,從而提高了屈曲失穩分析的計算效率;由于沒有考慮非線性和初始缺陷的影響,得出的失穩載荷可能與實際相差較大。從特性值角度研究失穩,只能獲得描述結構失穩時各個相對的位移變化大小,即失穩模態。無法給出位移的絕對值。

非線性屈曲分析的特點是:考慮以往加載歷史的影響;考慮非線性載荷,包括材料非線性、幾何非線性等因素;考慮初始缺陷;中等非線性程度的屈曲失穩問題,可給出足夠準確的失穩載荷;但是,對呈高度非線性的屈曲失穩問題,按非線性屈曲分析,結果的精度會受到較大的影響。

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圖1.平衡路徑的分叉點

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圖2.結構的后屈曲分析

3 分析實例

3.1 基本參數

圓筒閥外徑:D1=8390mm;圓筒閥壁厚:t=154mm;

圓筒閥高度:H=1750mm

3.2 經典計算

根據ASME規范和GB150-1998鋼制壓力容器規范計算,該圓筒閥的中心半徑R=4118mm
;高度與外徑的比為:ψ= H/D0=0.209 ;直徑與厚度的比為:ξ=D0/t=54.48 ≥20 ;根據上述計算值以及GB150-1998,通過插值可以求出系數A,A=0.022,恰好落在設計溫度下材料的右方,查GB150-1998中相應圖的系數B值,B=180MPa;因此,許用外壓力為:

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經經典計算得出:上述圓筒閥的最大許用外壓力為3.30MPa。

3.3 ANSYS有限元分析計算

選取一個完整的圓筒閥作為分析計算模型,如圖3所示。采用ANSYS軟件中的每個節點具有3個自由度的20節點六面體單元,即SOLID186單元,共剖分單元;節點,有限元網格圖如圖4所示。在圓筒閥的外側承受1MPa的壓力。

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圖3.計算模型            圖4.有限元網格剖分

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圖5.圓筒閥的屈曲分析模態

有限元分析得出:該圓筒閥承受的最大外壓力為 3.11MPa,圖5為該圓筒閥的屈曲分析模態。

4 結論

運用 ANSYS軟件可以有效地對圓筒閥進行穩定性屈曲分析,而且計算相對誤差在工程允許的范圍之內。