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株溪口水电厂机组转轮室结构安全数值分析

文档作者：张宝庆1 陈伽1 彭育斌1 王华2 田海平3 谢捷敏3 文档来源： 1. 五凌电力株溪口水电厂 2. 湖南五凌电力工程有限公司 3. 湖南省电力公司电力科学研究院		点击数：	更新时间： 2025年05月30日
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4
第41 卷 第5 期
2018 年5 月
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station
Vol.41 No.5
May.2018
株溪口水电厂机组转轮室结构安全数值分析
张宝庆1 ，陈 伽1 ，彭育斌1 ，王 华2 ，田海平3 ，谢捷敏3
(1. 五凌电力株溪口水电厂，湖南 益阳 413000；2. 湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004；
3. 湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007）
摘 要： 建立了株溪口水电厂灯泡贯流式机组转轮室的三维模型，采用有限元法，对转轮室的动静力特性和疲劳
进行了分析。结果表明：模态计算显示机组正常运行时，转轮室的固有频率应在37~47 Hz，现场试验测点转轮室
振动频率为叶片频率，转轮室无共振风险。转轮室的振动属于水力作用下的强迫振动，转轮室刚度偏小，引起振动
偏大。转轮室结构强度可以满足机组运行要求，出现疲劳破坏的可能性较低。计算结果为保障转轮室安全运行提
供了重要技术支持。
关键词： 转轮室；动静力特性；疲劳；有限元
中图分类号：TK730 文献标识码：A 文章编号：1672-5387(2018)05-0004-05
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2018.05.002
收稿日期： 2018-02-28
作者简介： 张宝庆（1964-），男，高级工程师，从事水电厂生产技术管
理工作。
0 概述
株溪口水电厂装有4 台18.5 MW 灯泡贯流式
水轮发电机组，发电机型号为SFWG18.5-64/6400，
水轮机选用安德里茨新开发的三叶片转轮，其轮毂
比为0.34，型号为GZ-WP-630，机组由浙江富春江
水电设备有限公司制造，于2008 年投产发电[1,2]。
机组投产后，灯泡贯流式机组转轮室存在诸多结构
安全问题，影响机组长期安全稳定运行。为此，本文
对转轮室进行了结构数值计算，并结合计算结果分
析了转轮室的固有频率和疲劳状态。
1 转轮室基本情况
株溪口电厂贯流式机组转轮室结构尺寸如图1
所示。转轮室由钢板焊接而成，总长度3 750 mm，
总重26 t，由球面段、喉管段、直锥段、伸缩段几部分
焊接而成，外面设有四道环筋，转轮室与叶片相关部
分为球面。喉管部分用0Cr13Ni5Mo 不锈钢材料，
长度为1 m，其他转轮室部位为普通Q235 钢，转轮
室壁厚均为32 mm。为便于安装和检修，转轮室分
为上下两半，用螺栓连接。
2 计算模型与工况
转轮室有限元模型采用ANSYS 高阶3 维10 节
点固体结构单元Solid187 单元，Solid 187 单元具有
二次位移模式，可以更好的模拟不规则的模型。单
图1 转轮室结构尺寸
万方数据
第 5 期 5
元通过10 个节点来定义, 每个节点有3 个沿着X、Y、
Z 方向平移的自由度。单元支持塑性、超弹性、蠕变、
应力刚化、大变形和大应变能力。株溪口转轮室结
构材料为Q235 和部分不锈钢0Cr13Ni5Mo，故其弹
性模量可取为E=2.00×105 N/mm2，泊松比γ=0.30，
密度ρ=7870 kg/m3。采用三维二次四面体单元Solid
187 建立有限元模型，模型包括外配水环、转轮室、
伸缩节刚体环、加劲板（环）整体三维有限元模型节
点总数为50 444 个。转轮室的基本尺寸和空间有
限元网格[3] 如图2、图3。
（a）横剖面图 （ b）纵剖面图
图2 转轮室设计图
（a）有限元几何模型 （ b）有限元网格模型
图3 转轮室有限元模型
有限元整体分析模型的坐标系选择为：X 轴为
顺水流方向，以下游为正，Y 轴为横水流方向，以左
为正，Z 轴为垂直水流方向，以上为正。约束条件取
为：转轮室上游法兰面处采用固定约束。
转轮室计算工况如表1。
表1 计算工况表
工况荷载
1
转轮室内壁施加正常蓄水位水压（水位高程87.5m）+ 自重
荷载
2
转轮室内壁施加校核洪水位水压（水位高程90.56m）+ 自
重荷载
3 空气模态
4 有水模态
3 计算模型与工况静态应力计算结果
静态应力计算结果如表2。
表2 计算结果
计算内容工况1 工况2
转轮室应力
/MPa
等效应力0.1~28.4 0.1~32.8
第一主应力-5.7~22.8 -6.7~25.9
第二主应力-7.1~9.7 -8.3~10.8
第三主应力-31.3~3.2 -36.2~3.6
转轮室位移
/mm
X 方向最大位移0.12 0.13
Y 方向最大位移0.23 0.26
Z 方向最大位移0.37 0.41
最大合位移0.39 0.43
工况1：转轮室的最大等效应力为28.4 MPa，位
于转轮室底部中心偏上游的位置。X 向位移最大达
0.12 mm，Y 向位移最大达0.23 mm，Z 向位移最大
达0.37 mm，转轮室结构的合位移最大达0.38 mm，
最大位移出现在转轮室底部中心偏下游的位置。转
轮室位移如图4，应力如图5。
图4 工况1 转轮室位移云图
图5 工况1 转轮室应力云图
张宝庆，等：株溪口水电厂机组转轮室结构安全数值分析
万方数据
6 水 电 站 机 电 技 术第41 卷
工况2：转轮室的最大等效应力为32.8 MPa，位
于转轮室底部中心偏上游的位置。X 向位移最大达
0.13 mm，Y 向位移最大达0.26 mm，Z 向位移最大
达0.41 mm，转轮室结构的合位移最大达0.43 mm，
最大位移出现在转轮室底部中心偏下游的位置。转
轮室位移如图6，应力如图7。
图6 工况2 转轮室位移云图
图7 工况2 转轮室应力云图
4 模态计算结果
空气与有水工况模态计算结果见表3，模态振
型如图8、图9。
5 疲劳分析
疲劳分析中钢材的S~N 曲线至关重要，对于
Q235A，其屈服强度为235 MPa，极限强度为460
MPa，不同的残余应力有S~N 曲线如下页图10。
按规范和工程经验，给定1×106 的循环次数为
上限即疲劳寿命无限大，可知残余应力和允许应力
关系如表4。
表4 转轮室残余应力与允许应力关系
残余应力/MPa 0 200 300 400
允许应力/MPa 86.2 35.4 21.8 8.18
根据实际工程经验，水压脉动幅值取20% 校核
洪水位水压，计算转轮室的等效应力幅值如图11。
最大动应力为10.74 MPa，对比表4 可知，残余应力
在400 MPa 的允许应力小于最大动应力，300 MPa
以内的残余应力均大于允许应力，基本不会产生疲
表3 计算结果
阶数空气中模态频率/Hz 有水模态频率/Hz
1 47.03 37.16
2 51.36 40.22
3 55.50 42.80
4 56.50 45.65
5 76.97 48.62
6 83.94 49.47
7 84.50 54.34
8 85.52 69.12
9 103.57 73.43
10 105.27 82.39
f1=47.03 Hz f2=51.36 Hz
f3=55.50 Hz f4=56.50 Hz
f5=76.97 Hz f6=83.94 Hz
图8 空气中模态振型
万方数据
第 5 期 7
劳破坏。因此，应进一步计算残余应力在400 MPa
的疲劳，相关计算结果如图12、图13。
由图12、图13 可知，转轮室在残余应力400
MPa 下疲劳破坏最小循环次数为4.54×105 次，最危
险地方为转轮室底部中心偏上游处。此时频率若为
0.1、0.5、1、5、10 Hz，则疲劳破坏时间分别为52.5 d、
10.5 d、5.25 d、1.05 d、0.53 d，显然都是不允许的。
6 结论
（1）对于正常蓄水位，转轮室的最大等效应力为
28.4 MPa，位于转轮室底部中心偏上游的位置。X
向位移最大达0.12 mm，Y 向位移最大达0.23 mm，
Z 向位移最大达0.37 mm，转轮室结构的合位移最大
达0.38 mm，最大位移出现在转轮室底部中心偏下
游的位置。
（2）对于校核洪水位，转轮室的最大等效应力为
32.8 MPa，位于转轮室底部中心偏上游的位置。X
图11 20% 校核洪水位水压作用下转轮室等效应力（MPa）
图12 转轮室能承受的最大疲劳循环次数（残余应力400 MPa）
图13 转轮室疲劳安全系数（残余应力400 MPa）
f1=37.16 Hz f2=40.22 Hz
f3=42.80Hz f4=45.65Hz
f5=48.62Hz f6=49.47Hz
图9 有水模态振型
图10 Q235A 在不同残余应力下的SN 曲线
（下转第12 页）
张宝庆，等：株溪口水电厂机组转轮室结构安全数值分析
万方数据
12 水 电 站 机 电 技 术第41 卷
把导瓦顶靠轴领，顶好后应保持原位不变，调整支撑
螺钉球面与瓦背面的间隙，调好后把支持螺钉的螺母
锁住，再次复查，合格后即可进行下一对瓦的调整工
作。整体调整完毕后，取下楔形块或恢复小千斤顶。
4 结语
立式机组导轴承间隙的调整对机组运行至关
重要。本文介绍的两种导轴承间隙计算的方法，
适用于所有类型立式水轮发电机组的分块瓦导
轴承间隙计算，个人认为其中图解法更加简便实
用。对于不同结构的机组，盘车和摆度测量的方
法也有很大区别，有时还需要我们在实践中进行
验证和总结。比如对于弹性支撑结构的三导式机
组，以哪两个导轴承作为限位导轴承进行盘车，对
于机组运行状态更有利，目前尚没有统一的结论。
在三板溪电厂弹性支撑半伞式机组大修中，实验
结果显示，以上导和下导作为限位导轴承进行盘
车较为适宜，对于其他类似机组是否适用，还有待
于进一步实践验证。
参考文献：
[1] 陈秀芝. 水轮发电机检修[M]. 北京：中国电力出版社，
2002.
[2] GB/T 8564-2003 水轮发电机组安装技术规范[S].
[3] SL 668-2014 水轮发电机组推力轴承、导轴承安装调整工
艺导则[S].
图6 楔子板结构的导轴承
图7 支撑螺钉结构的导轴承
向位移最大达0.13 mm，Y 向位移最大达0.26 mm，
Z 向位移最大达0.41 mm，转轮室结构的合位移最大
达 0.43 mm，最大位移出现在转轮室底部中心偏下
游的位置。
（3）转轮室干模态下前10 阶的固有频率计算
结果分别为47.03 Hz、51.36 Hz、55.50 Hz、56.50 Hz、
76.97 Hz、83.94 Hz、84.50 Hz、85.52 Hz、103.57 Hz、
105.27 Hz。
（4）转轮室湿模态下前10 阶的固有频率计算
结果分别为37.16 Hz、40.22 Hz、42.80 Hz、45.65 Hz、
48.62 Hz、49.47 Hz、54.34 Hz、69.12 Hz、73.43 Hz、
82.39 Hz。
（5）转轮室疲劳分析中，残余应力为400 MPa 左
右时，才大于疲劳应力中的允许应力。对于水压脉
动为20% 校核洪水位水压时，转轮室在残余应力
400 MPa 下疲劳破坏最小循环次数为4.54×105 次，
最危险地方为转轮室底部中心偏上游处，此时频率
若为0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz，则疲劳破坏时
间分别为52.5 d、10.5 d、5.25 d、1.05 d、0.53 d。由于
残余应力出现400 MPa 的可能性较低，故转轮室出
现疲劳破坏可能也较低。
参考文献：
[1] 李华喜. 株溪口水电厂灯泡贯流式机组低负荷区运行优
化研究[J]. 低碳世界, 2014（10）:113-114.
[2] 周玉明. GMH550 测振测摆系统在株溪口水电厂的实践
与应用[J]. 水电站机电技术,2014（06）:64-69.
[3] 何昊. 水轮机转轮室设计方案的工艺与强度性能研究[J].
机械工程师, 2016（05）: 172-173.
（上接第7 页）

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