（杭州杭发发电设备有限公司科协）
摘要：本文采用ANSYS有限元分析模块对某型号的冲击式水轮机不同结构进水岔管，在机组设计水头下做内部流态和刚强度分析分析，得到了（单梁、三梁、月牙肋）三种结构的变形、应力及内部流场分布情况。通过对三种结构的安全评估，为以后不同的岔管结构选择提供理论依据。
关键词：水轮机岔管；强度；有限元分析；水力损失
1前言
冲击式水轮机压力引水钢管很长，在靠近水轮机处都要设置岔管，由于冲击式水轮机水头一般很高，内部水流情况和受力情况都较为复杂，使岔管承受很大的内水压力，且岔管属于复杂的空间组合结构，管壁上的主要应力为环向应力σz。由于管壁是一个封闭的圆环，所以σz在管壁的圆周中是平衡的，即以箍拉力的形式存在。但是在岔管处由于两个管段按规定的角度组成岔管时，必须在相贯线处将重合的管壁切除，再把剩下的部分管壁连接起来，从而构成一个连通的岔管。因此在内水压力的作用下，组成岔管的管段在切去部分管壁的部位，产生的不平衡力导致岔管分岔处局部应力值偏高[1]。进行岔管设计时，岔管的水力要求与结构要求有一定的冲突，难以同时满足，从结构上讲就是要妥善地解决不平衡内水压力的问题，使岔管结构能有足够的安全度，并使材料节约、尺寸缩小、施工方便。从水力学上讲，要求在各种情况下水流平顺、损失最小[2]。
为了解决这些矛盾，本文结合智利EDUCATIVA HUILOHUILO水电站冲击式水轮机岔管设计，根据电站的具体情况，提出单梁、三梁、月牙肋三种加强筋结构实施方案，采用国际通用的有限元分析软件ANSYS对各方案进行详细的应力及流场分析，为选用合适的岔管型式及产品结构优化提供理论依据。
2 岔管的有限元分析
2.1 机组主要参数及模型
机组型号：CJA237-W-125/2X12，工作水头：Hr=247m，升压水头：Hmax=275m，
打压试验水压力：p=5.4MPa；额定流量：Q=1.5m3/s。
岔管材料：Q345B低合金钢，强度极限δb= 490 MPa，屈服强度δs=345 MPa。
2.2 岔管模型
根据岔管图纸建模，由于岔管为对称模型，为减小计算量，在做结构静力学分析时取1/2结构模型分析。岔管入口直径φ600mm，出口直径φ400mm。为了了解不同加强筋结构对岔管强度的影响，分别选取3种加强梁方案，1外加强梁单梁结构（如图1）；2、外加强梁三梁结构（如图2）；3、月牙肋结构（如图3）。
注：r为球克内半径；t0为球壳计算壁厚
2.5 有限元计算结果及分析
运行工况分析结果
由单梁结构流场压力分布图（如图5）可知，内水压力最大区域位于加强梁内环中部，最大值为2.42MPa，在主管与支管1交接部分存在一定脱流现象，最小内水压力为2.393MPa，由分析测得岔管1出口流量为0.769m3/s，出口断面平均压力为2.4013MPa，水力损失为-0.126%，岔管2出口流量为0.763，出口断面平均压力为2.4015MPa，水力损失为-0.025%。
从三种结构应力云图（如图6、8、10）可知，因岔管流道内水压力分布并不一致，在个别区域出现局部高压区或低压区，不过幅值相差为0.03MPa。单梁与三梁内部流道差异性相对月牙肋结构较小，故流道内两岔管水力损失基本一致；月牙肋结构因强度考虑向内深入320mm，对两支管流道有一定影响，在支管2中形成局部涡流，与外加强结构相比水力损失相差0.05%，不过因岔管局部水力损失较小，对整机效率影响有限。
4 结论
通过三种岔管的应力和水力的有限元分析比较，月牙肋岔管局部水力损失较小，对管道水力损失影响有限，产生的应力和位移值小，结构简单，满足安全使用的要求，对机组的使用性能保证最佳。
参考文献：
[1]庞立军 王颖 冲击式水轮机岔管强度分析与试验研究 大电机技术 2005（1）；58-59
[2]李哲斐 钢岔管结构的优化设计 河海大学 2005
[3]DL/T 5141-2001钢结构压力钢管设计规范 中华人民共和国电力行业标准 2001；32-38
[4]《水电站机电设计手册》编写组 金属结构（二）水利电力出版社 1988；146-154
论文作者:张银果,童建新,徐光
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/9
标签：结构论文; 水轮机论文; 水力论文; 水压论文; 应力论文; 管壁论文; 月牙论文; 《电力设备》2018年第12期论文;