水轮发电机组上机架应力分析

某水电站已经运行了40余年，期间经历了多次机组改造以及数字模拟分析，但均未对机组上机架进行有效的应力分析。上机架作为水轮发电机组最重要的部件之一，不仅要承受机组转动部分的全部重量、机架自重等引起的静载荷；而且在机组运行过程中，还将受到轴向水推力等引起的交变动载荷，这将给机组安全运行带来潜在的隐患。本文对电站上机架的典型工况下作了应力应变测试研究，分析了上机架改造后是否满足刚强度要求，这为下一步上机架的疲劳强度校核奠定了基础。

该电站发电机组额定容量40MW，额定转速500r/min，飞速转速820r/min，设计水头290m，设计流量17.5m³/s，设计出力45.8MW。

使用仪器

仪器采用聚航科技生产的JHDY动态应变仪，多通道选择，所有通道同步采样。软件式操作，测试数据实时显示，自动保存，自动生成报表。

测试内容

采用电阻应变法对水轮发电机组上机架进行了现场应力分析，测试点共有5个。其中1-4号测试点均在上机架4号支腿上的腹板上。由于机组是旋转机械，四条支腿受力是相同的，因此选择了一个支腿。5号测试点选择了上机架顶端1号支腿与4号支腿的角平分线上。这是因为在应力分析中，不仅要考虑到支腿上受到应力情况，还要考虑到上机架顶端平面的应力情况。

上机架材料为Q235钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。现场测试选择工况；转子顶起、静态载荷、空载运行、发10MW、发20MW、发30MW、发40MW以及发42MW。

测试结果与分析

根据测试点1-5数据可知，测试点1-4的应力变化趋势基本相似，且均表现为压缩应力，反映了上机架支腿肋板被挤压的承力现象。同时在所有工况下测试点1应力均为*大值，达到64.592MPa。可以确定整个上机架应力*大处出现在四个支腿的肋板拐点，与资料中提到的上机架应力集中位置相似。因此，该点要求材料刚强度*大，也是最容易发生形变甚至出现裂纹。

测试点5表现为拉伸应力，反映了上机架上圆盘主要承受轴向向下的拉力。根据数据可知，该点的*大应力为12.817MPa，小于其他测试点应力，因此上机架上圆盘不是主要应力承受位置，在刚强度分析中也相对安全。

当机组由静止到空载工况时，应力没有明显增加。结果表明机组在不带负荷条件下，机组转动对上机架应力影响较小；当机组从空载工况到负荷工况时，应力显著提升，其原因可能是机组带负荷时，轴向水推力对上机架所承受应力影响很大。

结论

在拟定的典型工况下，上机架各测试点应力变化具有小负荷变化梯度较大，大负荷区变化平缓的特性；应力集中发生在上机架支腿肋板拐点，*大应力达到64.592MPa，安全系数为3.6，符合脆性材料的强度要求；为进一步校核疲劳强度奠定了基础。