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1前言
三峡电站700MW水轮发电机组是当今世界上单机容量最大的机组之一。该机组的设计和制造均采用当前世界最先进的技术，为此，左岸14台机组以国外发电设备制造商为主进行设计制造，国内主要水电设备供应商在与国外企业进行联合设计和合作生产的基础上，全面引进消化吸收三峡电站水轮发电机组设计制造技术和创新应用，以提升我国大型发电设备设计制造水平，尽快形成自主开发能力，促进我国民族工业的发展。
三峡机组结构复杂，尺寸大，重量重，运行时的水头变化幅度大，机组各个大部件承受载荷十分复杂，在整个机组的设计过程中，机组的大部件刚强度和动力稳定性计算分析十分重要。为了保证三峡电站700MW大型水电机组能安全稳定地运行，提高我国大型水电机组结构刚强度与动力稳定性的研究水平，在VGS(德国Voith公司，加拿大GEhydro公司和德国Siemens公司)三峡机组联合体与东方电机股份有限公司(以下简称“东方电机”)共同研制三峡电站大型水电机组合作中，东方电机与VGS联合体签订了三峡电站大型水电机组关键技术转让协议，要求VGS联合体在进行三峡水电机组设计时将有关大部件结构刚强度与动力稳定性计算技术转让与东方电机，使东方电机能全面掌握和消化VGS的先进结构分析技术，提高东方电机的产品设计分析能力。
东方电机结构刚强度和动力稳定性分析技术人员通过对国外先进技术的学习与交流，了解到国外公司对水电机组结构刚强度和振动计算技术的主要思路和先进方法，全面掌握了国外公司的结构刚强度计算技术的技巧和计算程序的具体操作步骤，并与外方专家一起共同完成了三峡机组各大部件的强度振动计算分析。公司购置了SGI工作站和ANSYS、IDEAS、TASCFLOW、ARMD等商用软件，重新构建了大型水电机组结构分析计算机环境。在东方电机的计算机系统上完成了三峡机组结构刚强度与动力稳定性计算，结合东方电机多年来在水电机组强度振动计算分析和试验研究方面的成果和经验，对国外先进技术进行了一系列的吸收消化和技术创新，编制完成了10余个计算规范，很快形成了自主开发能力，大大提高了东方电机水电机组结构分析的整体水平，缩短了计算分析周期，提高了快速反应能力，大大扩展了引进技术的应用范围与应用领域。
2三峡机组引进技术的消化吸收与创新
2.1水轮机转轮刚强度和振动模态计算
水轮机转轮是水轮发电机组的心脏，它担负着水能与机械能的转换，要求它具有较高的效率、较好的稳定性和可靠性。三峡水轮机单机容量700MW，属于当今世界上单机容量最大的低速水轮机，实际运行时水头变幅大，整个转轮承受着自身重力、水压力和离心力的作用，除此以外还承受着水压脉动所引起的动载荷的作用，而造成转轮的振动。因此，在转轮设计阶段必须对其工作应力水平和振动模态进行详细计算分析和结构优化。
多年来，水轮机转轮的刚强度与振动计算分析一直是转轮开发中的技术难点，严重阻碍了我国水轮机转轮开发技术的发展，究其原因有3点，首先是叶片形状复杂很难准确建立其有限元模型；其次是无法准确计算出作用在叶片上的压力分布；第三是无法准确估算出转轮在水介质下的振动模态。加拿大GE水电公司将叶形设计、流场分析和结构分析有机地结合在一起，形成一套完整的水轮机转轮开发体系。由BBX叶形设计专用软件完成叶片形状设计生成叶片表面坐标数据。TASCFLOW流体分析软件采用BBX生成的叶形数据建立流道有限元模型并完成流场分析计算，获得作用在叶片表面上的压力分布数据。应用IDEAS结构设计分析软件，利用BBX所生成的叶形数据，并根据混流式转轮的结构和载荷呈周期对称的特点，开发出建立转轮一个周期结构的有限元模型的方法，并采用TASCFLOW所生成的压力分布数据，在IDEAS软件上完成强度计算和转轮在空气介质中的模态计算，根据多年的设计经验将转轮在空气介质中的模态频率乘以一个衰减系数求得转轮在水介质下的模态频率。
东方电机在全面掌握转轮结构分析技术的基础上，完成了三峡F584和F599转轮的结构分析，其分析结果达到预期效果。此后，又完成了李家峡、大朝山、水布桠、福堂、盐锅峡等混流式转轮强度计算分析。图1和图2为三峡电站水轮机转轮的有限元模型和计算结果。
在全面吸收消化转轮结构分析技术的基础上，进行了大胆的技术创新，在完成混流式转轮整体模型在空气介质中的模态计算后，在ANSYS结构分析软件上开发出旋转周期对称结构模分析新方法，并在混流式转轮分析计算中得到应用，可以实现采用混流式转轮一个周期对称结构的有限元模型进行转轮在空气介质中的模态计算。目前正在开展混流式转轮在水介质中的流固耦合模态计算，并取得了阶段性成果。东方电机技术人员将混流式转轮强度分析的基本思想用于轴流式转轮的分析中，探索出一套轴流式转轮有限元建模方法和流场计算方法，在某轴流式水泵叶轮强度计算分析中得到应用并取得了成功。
2.2水轮机顶盖的刚强度和动力特性计算
三峡电站水轮机顶盖采用传统的混流式水轮机顶盖结构形式，是主要由上环板、下腹板、外圆筒和外法兰以及24个周向均匀分布的径向筋板和活动导叶的轴承座等组成的焊接结构。顶盖的外法兰与水轮机的座环上环板联接。在机组运行时，顶盖主要承受导水机构的活动导叶、水导轴承、主轴密封、控制环等部件的重力；顶盖下腹板的过流面、转轮的上止漏环和转轮的上冠顶部等处承受随机组运行工况改变而变化的水压载荷；顶盖的上环板和下腹板的活动导叶轴承座上还承受活动导叶的支撑力。在顶盖与水轮机座环联接处还承受由水轮机座环和蜗壳传递来的作用力。
应用ANSYS有限元分析程序进行顶盖的刚强度计算。根据三峡电站水轮机顶盖的结构特点和受力状况，在进行顶盖的刚强度计算时，考虑到VOITH公司计算机的容量和速度以及三峡电站水轮机顶盖、座环、蜗壳的结构复杂性等因素，仅取了蜗壳尾部对应的顶盖和座环部份建立有限元模型。图3为三峡电站水轮机顶盖强度计算结果。
当顶盖与水介质接触时，顶盖的振动必然引起水体压力的波动，这时顶盖的振动分析就成了一个典型的液体和弹性体的耦合振动问题。顶盖流固耦合自振特性分析，对该顶盖而言，其几何建模、有限元离散、材料特性都和在空气介质时一样。根据顶盖的几何形状，利用ANSYS程序完成了水体部分的几何建模和有限元离散。在计算分析中假定水介质为理想不可压缩流体，所有的水体单元分为两类，一类是未和顶盖相接触的单元，这些单元的结点只有压力自由度；另一类是和顶盖相接触的水体单元，这些单元的结点既有位移自由度，也有压力自由度，从而实现液—固耦合分析。
2.3水轮机活动导叶的刚强度与动力特性计算
活动导叶由叶瓣和上、下轴组成，活动导叶的上端轴的两个轴承支撑在水轮机顶盖的上、下环板上的活动导叶轴承座内。活动导叶的下端轴承支撑在水轮机底环的活动导叶轴承座内。活动导叶的上端轴与水轮机导水机构的连杆相接。通过控制环操作活动导叶进行开启和关闭。24个活动导叶在关闭状况时，每个导叶的首尾搭接成一个圆筒，起到关闭机组水流的作用。
三峡电站水轮机的24个活动导叶的几何形状和结构尺寸相同，在圆柱坐标系中，每个导叶的载荷也相同，所以在进行活动导叶的刚强度计算时，仅取其中的一个活动导叶进行刚强度计算，通过处理活动导叶首尾搭接处的边界条件，即可得到活动导叶的变形状态和应力分布规律。
为了准确处理导叶的边界约束，还选用了ANSYS程序中的弹簧单元和接触单元，为了精确计算活动导叶的叶瓣与导叶轴之间过渡处的应力大小，特别注意活动导叶的叶瓣与导叶轴之间过渡处的几何形状造型和单元网格的划分。
对于活动导叶在水介质中的动态特性分析，根据活动导叶的几何形状，利用ANSYS程序完成了水体部分的几何建模和有限元离散，得到了活动导叶在水介质中的自振频率。通过多次分析比较后发现，活动导叶在水介质中的固有振动频率与在空气介质中比较，有较大幅度降低，而降低幅度与其振动模态有关。
2.4机组轴系动力稳定性
WHIRL为GE公司开发的轴系临界转速分析软件采用MYLIESTAD‘S方法，考虑了转子的陀螺效应。该软件用FORTRAN语言编写，可在工作站和PC机上编译运行。
软件Torsvib为GE在MATHCAD软件下编制的计算轴系扭振固有频率和振型的软件。利用该软件，对三峡机组轴系进行了扭振固有频率计算分析。
软件Axialvib为GE在MATHCAD软件下编制的计算轴系竖向振动固有频率和振型软件。利用Axialvib软件，对三峡机组轴系进行了竖向振动固有频率计算分析。
以上计算程序均为GE公司自行开发的轴系动力特性计算软件，具有简单实用、操作方便的特点，但是，其功能及技术水平与三峡机组这样大型水电机组的开发已不相适应。为此，东方电机从美国引进了ARMD旋转机械动力分析专用软件，并进行了深入的开发应用，目前已广泛运用于各种大型水火电机组轴系动力分析与结构优化。
2.5定转子耦合系统稳定性及三峡发电机气隙稳定性分析
此部分内容为GE公司技术转让的重点，也是东方电机在转让之前的技术弱项。通过此次技术转让、消化吸收，不仅掌握了该技术，而且应用该技术对三峡水轮发电机和红岩子贯流式发电机进行了气隙稳定性分析。
机组在水力和电磁场作用下，定、转子的动态特征不但相互耦合，而且和作用于它们的水力、电磁力相互耦合，因此对它们的分析将是一个十分复杂的系统工程。表述这些特征的量主要有：
(1)偏心电磁不平衡力和偏心电磁刚度
(2)椭圆电磁力和椭圆电磁刚度
(3)轴系刚度和变形
(4)转子系统的偏心
(5)转子系统的椭圆刚度和椭圆变形
(6)转子系统的刚度和变形
(7)水力不平衡力
(8)机械不平衡力
机组应满足以下条件才是稳定的：
(1)固有频率远离激励力频率
(2)临界转速远高于飞逸转速
(3)轴系横向刚度大于偏心电磁刚度
(4)转子系统椭圆刚度大于椭圆电磁刚度。
(5)轴的振动幅值(pk-pk)在导轴承处应小于导轴承热态间隙的75%。
(6)机组总的变形(定、转子之间)应远小于平均气隙的一半，对于象半数磁极短路这样的极端情况，机组总的变形也应小于平均气隙的一半。
三峡水轮发电机平均气隙32mm。经分析可知，三峡机组是稳定的，气隙是安全的。
2.6发电机主要部件结构刚强度
2.6.1发电机转子支架刚强度
采用IDEAS大型工程分析软件中的仿真模块进行发电机转子支架有限元结构强度和稳定性计算分析。提出了一种独到的转子支架有限元建模方法、各种载荷的处理方法和弹性键的设计思想，共完成了150r/min过速、额定工况刚强度、静止状态打键应力的计算。转子支架静止状态下的打键力为1100吨，从静止工况的计算结果可以看出，支架腹板变形较大。为了检验支架是否会产生屈曲失稳，对该转子支架进行了屈曲稳定性计算，计算模型、边界条件和计算载荷与静止状态打键应力计算时完全一致。经过屈曲特征值求解，得出前三阶屈曲模态振型和屈曲因子，其中第一、二阶屈曲因子小于1时，结构将产生屈曲失稳，其第一阶屈曲模态以腹板为对称面，支架上圆盘出现方向相反的翘曲变形，而腹板靠近外缘的地方出现外突变形；第二阶屈曲模态的上圆盘的变形与第一阶完全一致，而在腹板上沿径向出现两处外
突变形。这种屈曲失稳将引起转子支架的永久性变形，导致支架失效，还会引起空气脉动产生噪声，必须加以控制。经与GE工程师共同研究，提出了处理方案的建议。经过多次反复比较计算，对GE提出的建模和载荷处理方法进行了改进，并编制了相应的计算规范。
2.6.2上机架强度
发电机上机架是发电机导轴承的支撑部件，它向导轴承提供足够的支撑刚度，并要求能承受机组事故状态所产生的巨大径向载荷的作用。在进行强度计算时，根据承受的径向载荷作用位置来建立有限元模型，并考虑了半数磁极短路、转子剩余不平衡力，发电机电磁偏心产生的磁拉力的影响。三峡机组发电机上机架的主要研究内容为：通过上机架将上导传递来的水平单向力转化为切向力作用到基础上的设计原理；上机架的支撑方式；上导分担(与下导和水导一起)的水平单向力比例计算；通过上导轴瓦传递到上机架中心体的水平单向力分布规律及其计算方法；上盖板及其负载的处理方法；边界处理方法等等。
2.6.3上端轴强度
在上端轴有限元计算分析中，计算模型包括与转子支架中心体连接的法兰和上端轴的轴身。计算中，考虑了通过销钉传递扭矩和通过螺栓把合上端轴法兰及转子支架中心体的情况。计算载荷主要考虑水平单向力，即由电磁偏心，半数磁极短路产生的磁拉力作用到上导上，上导给上端轴的反力。
2.6.4定子机座强度
在定子机座的强度计算中，认为机座在环向平板所在的高度范围内为一刚性体，该板沿高度方向其径向变形是一致的。计算模型的高度为相邻两周向平板之间的距离，机座的计算截面为靠基础板的底部截面，该截面为机座承载最大的截面；另外，机座支墩的底部截面也为一个计算截面，该截面是定子承载尺寸最小的截面。
机座强度计算考虑了包括120°同步误合闸和地震等多种载荷在内的工况，每一载荷按径向、切向和轴向分别计算其弯曲应力、剪切应力、压应力，然后根据各种工况可能的受力进行组合，并按机械计算标准计算综合应力，最后根据综合应力和材料的许用应力进行强度判断。
2.6.5定子铁心固定元件—托板强度
托板和焊缝的强度计算主要考虑电磁力矩的影响，同时考虑因热膨胀产生的冲片间的摩擦力。其最危险的工况为120°同步误合闸，因此托板和焊缝的强度主要考核该工况。
2.6.6定子铁心屈曲因子
由于定子机座对定子铁心的限制，定子铁心在受到的磁拉力、受热膨胀等的影响下，不能自由运动，使得铁心冲片受压，可能会使铁心冲片屈曲而导致定子失稳，为解决这一问题，需要对定子铁心进行屈曲分析，计算出在这些载荷的影响下，铁心的屈曲安全系数。
如果切向力大于铁心片间的摩擦力，会引起冲片端部区域滑动。滑动量依赖于压板的压力和冲片间的摩擦系数。在压应力的计算中，应将铁心和机座作为弹性体考虑，同时考虑冲片间的滑移方式和搭接状态。搭接状态以系数的方式在计算中体现。在计算出冲片的实际应力和临界应力后，再计算屈曲安全系数。如果安全系数大于2，认为设计是安全的，否则，需要改变冲片的搭接方式和增大压板的压力。
3工程应用
在对三峡水轮发电机组引进技术进行消化吸收与创新的基础上，在多台机组设计中广泛应用新技术。以下仅对部分成果进行简要介绍。
3.1某水电站机组转轮的结构刚强度计算
某电站轴流式转轮由转轮体、5个叶片和叶片躯轴组成。它主要承受机组运行时由叶片水压力产生的轴向水推力和扭矩，以及由结构自身质量在机组旋转时所产生的离心力，同时还承受油压操作机构的操作力。该公司技术人员在进行刚强度计算时应用了当代先进的有限元计算方法，并结合CFD分析，对该转轮的刚强度进行了较详细的计算，比较详细地得出了该轴流式转轮在正常运行工况和机组飞逸工况时的变形状态和应力分布规律，为轴流式转轮的强度设计开辟了新路。图7为某电站轴流式转轮强度计算结果。
3.2某电站球形阀的刚强度计算
该厂将三峡机组刚强度分析的理论与方法用于某电站大型球形阀的刚强度计算与结构优化中，较好地解决了球型阀结构复杂所引起的建模难题以及一些非线性的计算问题。通过计算分析，对其结构进行了多个方案的优化，大大控制了阀体的变形和应力水平，同时大大地节省了材料消耗。图8为某电站球形阀的有限元模型和计算结果。
3.3公伯峡水轮发电机组刚强度与动力稳
技术人员将三峡机组结构刚强度与动力稳定性计算分析的理论与方法用于公伯峡机组结构设计中，取得了圆满成功。采用ANSYS软件对发电机上机架、下机架转子支架、定子机座、水轮机主轴、水轮机顶盖、水轮机座环蜗壳及活动导叶的强度进行了计算分析；计算分析了发电机定子的振动模态、顶盖与活动导叶流固耦合振动模态；采用IDEAS并结合TASCFLOW流体动力分析软件完成了水轮机转轮强度和振动模态计算分析；采用ARMD旋转机械轴系动力分析软件进行了轴系临界转速与不平衡响应分析计算。通过以上分析计算确保了机组结构设计的安全性与可靠性，大大提高了大型水电机组结构设计的技术水平。
4大型水电机组刚强度与动力稳定性计算规范
在三峡机组结构刚强度与动力稳定性计算分析中，对引进技术进行了反复分析论证和试算考核，并结合东方电机多年的实际工作经验，对引进的先进技术进行了创造性的发展，形成了对该公司大型水电机组主要部件刚强度与动力稳定性计算具有重要指导意义的13个计算规范。这些部件为：混流式水轮机顶盖、主轴、导叶、转轮、座环蜗壳、底环、控制环、水轮发电机下机架、上机架、定子和转子支架等。规范中，详细规定了其应用范围、计算方法与原理、计算模 [1] [2] 下一页
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