某水電站已經(jīng)運(yùn)行了40余年，期間經(jīng)歷了多次機(jī)組改造以及數(shù)字模擬分析，但均未對機(jī)組上機(jī)架進(jìn)行有效的應(yīng)力分析。上機(jī)架作為水輪發(fā)電機(jī)組重要的部件之一，不僅要承受機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的全部重量、機(jī)架自重等引起的靜載荷；而且在機(jī)組運(yùn)行過程中，還將受到軸向水推力等引起的交變動載荷，這將給機(jī)組安全運(yùn)行帶來潛在的隱患。本文對電站上機(jī)架的典型工況下作了應(yīng)力應(yīng)變測試研究，分析了上機(jī)架改造后是否滿足剛強(qiáng)度要求，這為下一步上機(jī)架的疲勞強(qiáng)度校核奠定了基礎(chǔ)。

該電站發(fā)電機(jī)組額定容量40MW，額定轉(zhuǎn)速500r/min，飛速轉(zhuǎn)速820r/min，設(shè)計(jì)水頭290m，設(shè)計(jì)流量17.5m³/s，設(shè)計(jì)出力45.8MW。

使用儀器

儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHDY動態(tài)應(yīng)變儀，多通道選擇，所有通道同步采樣。軟件式操作，測試數(shù)據(jù)實(shí)時顯示，自動保存，自動生成報表。

測試內(nèi)容

采用電阻應(yīng)變法對水輪發(fā)電機(jī)組上機(jī)架進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)力分析，測試點(diǎn)共有5個。其中1-4號測試點(diǎn)均在上機(jī)架4號支腿上的腹板上。由于機(jī)組是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，四條支腿受力是相同的，因此選擇了一個支腿。5號測試點(diǎn)選擇了上機(jī)架頂端1號支腿與4號支腿的角平分線上。這是因?yàn)樵趹?yīng)力分析中，不僅要考慮到支腿上受到應(yīng)力情況，還要考慮到上機(jī)架頂端平面的應(yīng)力情況。

上機(jī)架材料為Q235鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3。現(xiàn)場測試選擇工況；轉(zhuǎn)子頂起、靜態(tài)載荷、空載運(yùn)行、發(fā)10MW、發(fā)20MW、發(fā)30MW、發(fā)40MW以及發(fā)42MW。

測試結(jié)果與分析

根據(jù)測試點(diǎn)1-5數(shù)據(jù)可知，測試點(diǎn)1-4的應(yīng)力變化趨勢基本相似，且均表現(xiàn)為壓縮應(yīng)力，反映了上機(jī)架支腿肋板被擠壓的承力現(xiàn)象。同時在所有工況下測試點(diǎn)1應(yīng)力均為*大值，達(dá)到64.592MPa?？梢源_定整個上機(jī)架應(yīng)力*大處出現(xiàn)在四個支腿的肋板拐點(diǎn)，與資料中提到的上機(jī)架應(yīng)力集中位置相似。因此，該點(diǎn)要求材料剛強(qiáng)度大，也是容易發(fā)生形變甚至出現(xiàn)裂紋。

測試點(diǎn)5表現(xiàn)為拉伸應(yīng)力，反映了上機(jī)架上圓盤主要承受軸向向下的拉力。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，該點(diǎn)的*大應(yīng)力為12.817MPa，小于其他測試點(diǎn)應(yīng)力，因此上機(jī)架上圓盤不是主要應(yīng)力承受位置，在剛強(qiáng)度分析中也相對安全。

當(dāng)機(jī)組由靜止到空載工況時，應(yīng)力沒有明顯增加。結(jié)果表明機(jī)組在不帶負(fù)荷條件下，機(jī)組轉(zhuǎn)動對上機(jī)架應(yīng)力影響較小；當(dāng)機(jī)組從空載工況到負(fù)荷工況時，應(yīng)力顯著提升，其原因可能是機(jī)組帶負(fù)荷時，軸向水推力對上機(jī)架所承受應(yīng)力影響很大。

結(jié)論

在擬定的典型工況下，上機(jī)架各測試點(diǎn)應(yīng)力變化具有小負(fù)荷變化梯度較大，大負(fù)荷區(qū)變化平緩的特性；應(yīng)力集中發(fā)生在上機(jī)架支腿肋板拐點(diǎn)，*大應(yīng)力達(dá)到64.592MPa，安全系數(shù)為3.6，符合脆性材料的強(qiáng)度要求；為進(jìn)一步校核疲勞強(qiáng)度奠定了基礎(chǔ)。