试论水轮发电机上机架结构优化设计中FEM的应用

摘 要：FEM（有限单元法）作为一种高效、常用的求解连续体力学问题的计算方法，由于其在进行机械设备的结构分析与数据计算时所展现的准确性及有效性，所以也被广泛作为机械设备结构优化的重要参考依据。通过FEM的计算分析，为水轮发电机上机架结构设计时所存在的缺陷及不足提供理论依据，对采取有效方法对上机架的结构予以改进和优化具有重要意义。

关键词：有限单元法；上机架；结构优化

1 FEM概述

FEM是有限单元法的英文名称Finite Element Method的缩写形式，是一种目前应用较为普遍的偏微分方程计算分析方法，其在实际应用中也常常被称作有限元分析（FEA）。FEM在数据计算与分析中具有较高的应用效率，该方法能够通过对连续体的离散化处理，将其转化为一定数量的有限单位集合，从而通过计算更为准确的获得针对连续体力学问题的解答。FEM的发展基础是基于在其之前便早已出现的变分原理，这也决定了FEM在以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中有着较为普遍的应用。由于一些学者利用伽辽金法或最小二乘法等计算方法也获得了有限元方程，因此，FEM也能够更容易的在其他各类微分方程所描述的物理场中得到良好运用，这也较大程度地降低了对FEM应用条件的限制。亦如在进行水轮发电机上机架结构的分析与优化中，结合计算机辅助工程仿真技术并利用FEM所发挥的效果同样良好。

2 上机架结构计算模型及数据分析

2.1 几何模型的构建

几何模型的建立应以上机架结构的准确把握为基础，通常水轮发电机上机架结构均为四点支撑形式，即有四条支臂，从垂直角度来看，呈现出辐射状对称形式，并与中心主体通过焊接结合成一个统一整体。以某电站机组为例，该机组的上机架结构材质由碳素结构钢材料构成，其上机架三维模型及相应参数值如图1及表1所示。

在实际建模过程中，除一些细微特征完全与实际相符外，其他各项特征都是以实际测量尺寸为标准依据，并严格参考设计图纸及其他相关材料进行三维模型制作，以获得与真实结构最为接近的模型结构形式与分析结果。

2.2 有限元模型的构建

为建立准确的有限元模型，在实际结构分析中进一步针对已创建的三维实体模型进行非线性四面体单位的网格划分处理，从而构成相应的独立单元和对应节点，通过大量的有限大小的单元划分，针对新构成的有限单元模型展开全面检查，寻找是否存在扭曲变形单元。例举电站机组的上机架几何模型及对应的有限元模型如图2所示。

2.3 相关边界条件的确定

对于水轮发电机组而言，其在运行与静止条件下上机架所承受的轴向荷载力存在较大差异，静止条件下所承受的轴向荷载主要来自于转子、转轮以及轴自身的重量，发电机组运行时，其所承受的轴向荷载加上水流冲击作用下的轴向水推力增加了上机架的工作压力，使得上机架处于较为恶劣的工况中。基于这一情况下的实际受力状况对其荷载能力进行计算与分析，可获得水轮发电机上机架结构工作中所需承受的最大荷载数值，并可对其他各项参数同时进行优化调整。

2.4 对上机架结构模拟计算数据的分析

上述电站的上机架所存在的主要问题为其支承结构中出现了裂缝，通过相应计算可获取该上机架结构在实际工况下的最大等效应力值为297MPa，而获取到该数值所经过计算的有限单元与实际上机架结构中裂缝出现的位置存在着对应关系，说明该位置的结构强度不满足实际工况要求，结合上机架结构的材料性能及参数分析，可以发现在其当前性能状况与受力状况下的安全系数相对较低，仅能够达到约75%，由此可见若想实现上机架结构的有效优化，应相应的提高上机架的结构强度，从而确保优化后的上机架结构的可靠性，减少裂缝出现的几率。

3 上机架结构优化策略

通过FEM对出现问题的上机架结构进行多次计算对比分析后，确定最终的处理措施及优化方法，从对实体裂纹部分进行更换处理、适当加固支撑结构的方向着手，在保证其整体强度与承载能力的同时达到改进并优化的目的。还应对施工现场的空间条件与施工操作的可行性等方面充分考量，在保证正常结构部分的结构特征不发生较大改变的基础上，采取在所承受应力较高的结构部分如立筋正下方加焊具有一定厚度和宽度的钢板来进行局部结构性能的加强，并分散上机架结构在机组运行过程中原本较为集中的高应力，从而达到加强上机架整体强度的目的。初步改进完成后，针对新的结构体再次进行有限单元划分与模型检查，新构建的有限单元结构模型中单元数量及节点数量相较于原结构都有所增加，且检查中没有发现扭曲及变形单元存在。经过实际运行检测得出，改进后的上机架结构最大等效应力有很大程度的下降，安全系数得到了一定的提升，结构部位位移也相对得到控制，应力分布更加均匀，机组的整体运行效率得到了进一步的提高。

4 结束语

对于水轮发电机而言，其上机架结构的合理性与可靠性在很大程度上影响着机组的运行效率与运行质量，无论是初期的结构设计亦或是运行中出现问题时，结合FEM这种方法对上机架结构进行相应的计算对比及分析判别，在为上机架的结构改进及优化方面提供有效的理论数值依据的同时，也为电站的如期启动运行或恢复正常运行赢得宝贵的时间，更为其后类似的上机架结构设计及改进提供了较为有参考价值的工程技术经验。

参考文献

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[2]袁晓明，马磊，吴鹏，等.高转速悬式水轮发电机上机架振动分析与优化[J].机械设计与研究，2013（6）.

[3]马野，袁志丹.ADINA有限元经典实例分析[M].机械工业出版社，2012.

作者简介：胡佳琪（1982-），女，工程师，从事水轮发电机技术管理工作。