原型水轮机的非定常湍流计算和尾水管压力脉动分析???,? ?,??8
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原型水轮机的非定常湍流计算和尾水管压力脉动分析
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3秒自动关闭窗口小浪底水电站蜗壳尾水管混凝土_中国电力网(.cn)
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&&&&摘　要：以小浪底水电站地下厂房蜗壳尾水管一二期混凝土整体结构为研究对象，运用三维有限元法对其进行了应力应变分析。针对地下厂房的施工和运行情况，模拟计算分析了正常运用工况、校核工况下机组整体结构的应力情况，研究表明：整体结构应力水平比较低，结构突变部位出现局部较大拉应力，结构设计应当予以关注。
关键词：蜗壳；尾水管；混凝土；整体结构；小浪底水电站
　　水电站厂房的蜗壳和尾水管结构属水下结构，是水电站厂房设计的关键部位，由于其空间形状十分复杂，目前设计时将机墩、蜗壳和尾水管分开，分别切取平面框架，用结构力学或平面有限元的方法进行计算分析，其结果有很大的局限性，难以反映结构内应力的真实状态。
　　近年来，随着计算机技术的应用和发展，许多工程都采用了三维有限元法，对钢蜗壳及其外围混凝土结构作过较深入的分析研究。如河海大学和陕西机械学院等单位先后对葛洲坝、三峡、龙羊峡、广州抽水蓄能电站等工程的蜗壳结构进行了三维分析，得出了很有价值的结论；天津大学和浙江大学等单位在钢蜗壳与外围混凝土联合作用方面做了一定的分析和探讨。这些研究取得了有价值的成果，推动了水电站设计研究的发展。
　　本次研究把分析范围由钢蜗壳及其外围混凝土结构扩大到小浪底水电站厂房的机墩、压力钢管下平段、蜗壳、锥管、肘管、尾水管等结构及其围岩，模拟了结构内的排水廊道、操作廊道和进人孔等空间孔洞，给出了整体结构在不同工况下的特征应力，对小浪底水电站厂房的结构设计和施工具有一定的指导意义。
2　机组设计简介
　　小浪底水电站位于多沙河段，地下厂房内安装6台300 MW立轴混流式水轮发电机组，水轮机安装高程129．0 m，压力钢管与机组联接形式采用一机一管，水轮发电机组采用下机架支承。钢蜗壳上半圆铺设弹性垫层，钢蜗壳承受全水压，设计最大内水压为1．91 MPa，蜗壳外围钢筋混凝土结构只承受上部结构传来的发电机和楼板等荷载。
　　机组段长26．5 m，宽25．0 m，蜗壳及尾水管部分的混凝土分二期浇筑。第一期为124．2 m高程以下的肘管和尾水管结构，其中有排水廊道、操作廊道和交通廊道。第二期为124．2 m高程以上蜗壳及其外围混凝土、机墩、风罩和母线层发电机层梁板结构，蜗壳外围混凝土中有通风井、楼梯井和蜗壳进人门等孔洞。整体结构内壁空间形状的三维图详见图1。机组与机组之间的一期混凝土为二机一缝，二期混凝土为一机一缝。
3　有限元模型
　　根据小浪底地下厂房结构的设计特点，选取2号机组段为计算对象，计算模型宽26．5 m。上游侧取至压力钢管下平段的起点，下游侧取至尾水管洞中间的伸宿缝处，计算模型长100．0 m。向下取至60 m高程，向上取至139．0 m高程，计算模型高79．0 m。
　　假定计算模型四周受垂直于表面的链杆约束，混凝土分缝面为自由表面，底面为固端约束。不计水轮机座环的环向约束。固定导叶采用不同的约束条件进行计算，把固定导叶作为刚性体时蜗壳顶板混凝土结构增加了支撑，蜗壳外围混凝土结构的应力条件会得到改善，为偏于安全，计算时不计固定导叶的支撑作用进行了计算。
　　在进行网格剖分时，对上下游操作廊道、检修廊道、交通廊道、机坑进人孔等空间结构按实体进行剖分，网格尽可能密些。在整体直角坐标系的基础上，对尾水管采用动态圆柱坐标系，对蜗壳部分采用固定竖轴的圆柱坐标系。各种坐标系的各计算剖面在形成超单元后其结点坐标都转化为整体坐标系下的坐标。用8结点六面体单元模拟围岩和混凝土结构，用杆单元模拟固定导叶的支撑作用，其剖分结点13 327个，六面体单元11 172个，杆单元132个。整体模型的有限元网格详见图1。机墩混凝土标号为C30，其余均为C25。混凝土和围岩的材料参数见表1。
4　计算荷载和组合工况
　　水电站厂房钢蜗壳外围钢筋混凝土结构的体形尺寸极为复杂，以受多种静、动态荷载的作用，其受力状况十分复杂。本次研究涉及到的基本荷载有：风罩传下荷载、结构自重、水轮发电机组荷载、内外水压和围岩压力等，其中机组计算荷载见表2。不计压力钢管内水对围岩的作用。蜗壳计算内水压为1．91 MPa，只作用在蜗壳下半圆。尾水管内水位142．0 m，外水位135．0 m。
　　地下厂房围岩的地应力水平较低，在洞室开挖和喷锚支护完成后，围岩内部应力在洞室周围进行了重分布，洞室围岩稳定。混凝土结构浇筑后，围岩对其的作用只有围岩后期的流变或直接接触的松动岩体的重量，采用自然平衡拱理论来确定围岩的作用力。计算时把围岩的作用作为一种弹性约束作用在混凝土上，而不计围岩的重量。本次计算的荷载组合工况见表3。
5　计算结果与分析
　　根据以上建立的三维有限元模型和荷载组合工况，对小浪底水电站蜗壳尾水管混凝土整体结构进行了有限元计算分析。在正常运用工况下，结构的第一主应力的最大值为5．34 MPa，发生在内部结构的突变处，其余均小于2．1 MPa，典型剖面第一主应力为σ1详见图2。结构的第三主应力的最小值为－5．15 MPa，发生在蜗壳末端与进口相交的鼻角处，其余均大于－1．5 MPa，典型剖面第三主应力σ3详见图3，在129．0 m高程水平面上出现较大拉应力，这是由于计算模型在129．0 m以上蜗壳外围混凝土不承担内水压，在129．0 m以下钢蜗壳与外围混凝土联合承担内水压，造成局部应力突变。事实上，由于垫层末端渐变为零，以及混凝土塑性和蠕变的影响，此处拉应力不会出现突变。在上下游操作廊道底板出现－0．5～－0．9 MPa的拉应力区，检修排水廊道的应力条件较好，均受压。在尾水肘管及尾水管底板中央也有一定深度的拉应力区，其顶板出现了贯穿的－0．1～－0．5 MPa的拉应力区。
　　在校核工况下，结构内应力分布规律和正常运用工况的基本相同，只是在校核工况下应力值增加了0．1～0．2 MPa，其中第一主应力的最大值为5．40 MPa，第三主应力的最小值为－5．26 MPa，产生位置均与工况1同。
　　在前述两工况中都没计入座环与固定导叶的支撑作用，工况3在工况1的基础上，在座环与固定导叶的对应位置上加上杆单元来模拟其支撑作用，计算结果表明考虑固定导叶的支撑作用后，蜗壳外侧的结构应力有所改善，特别是129．0 m层的拉应力降低了0．05 MPa，同时座环与蜗壳间上下锥体的混凝土压应力有了明显提高，表明有一部分上部结构的荷载经座环与固定导叶向下传递。其他范围内的拉应力都有较小的降低，但应力分布规律没变。总体讲，考虑固定导叶的支撑作用后，应力有所改善，但改善的幅度不大，蜗壳作为空间壳体，其自承载能力很高。
　　通过对小浪底水电站地下厂房蜗壳尾水管混凝土整体结构的三维有限元研究分析可以得出以下结论：
　　（1）在正常运行工况和校核工况下，以校核工况所产生的应力最为不利，结构的拉应力区主要集中在129．0 m高程层面和尾水管的顶板，但其值不超过1．5 MPa。结构总体的应力水平较低。
　　（2）在结构突变处，特别是蜗壳进口与末端交汇的鼻端及垫层的末端，结构受力十分复杂，产生了较大的应力集中，设计应予注意。
　　（3）蜗壳作为空间壳体，其自承载能力很高，考虑固定导叶的支撑作用后，蜗壳外围混凝土结构的应力有所改善，但改善的幅度不大。
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