水泵水轮机顶盖螺栓强度特性研究

顶盖连接螺栓是水泵水轮机最重要的螺栓连接之一,若是发生疲劳断裂可能会导致水淹厂房的严重事故。本文以某水泵水轮机双法兰顶盖-顶盖螺栓-座环多体系统为研究对象,基于流固耦合算法将转轮上冠间隙腔内压力映射到顶盖过流面上,定量分析了顶盖轴向水推力和预紧力对联接螺栓强度特性的影响。发现由于双法兰刚度不均导致螺柱承受较大的弯曲应力;顶盖圆周方向刚度不均导致96个螺柱承受的总拉力、工作载荷、螺柱的夹紧力和相对刚度沿圆周方向周期性变化,且其变化幅度较大。随着顶盖轴向水推力的增大,各个螺柱的相对刚度基本不变;随着预紧力的增加,各个螺柱的相对刚度减小,且预紧力越大,相对刚度减小的幅度越慢。研究成果可为蓄能机组顶盖螺栓的设计提供参考。

水泵水轮机顶盖螺栓应力实测分析

水泵水轮机启停频繁、工况多变,内部流态复杂,顶盖在运行过程中受到复杂的水推力作用。连接顶盖和座环的高强度螺栓在不同工况下,应力水平和变化具有较大差别。螺栓的受力特性直接关系到机组的运行安全,因此,有必要全面了解顶盖螺栓在典型工况下的应力水平。本文依托宝泉蓄能电站水泵水轮机组开展顶盖螺栓应力实测工作。采用电阻应变法,选取螺柱中间截面上均布的4个应力测点,通过测量螺栓表面微应变得到螺栓应力。测试得到了螺栓在预紧、水轮机满负荷、甩负荷、水泵零流量及水泵正常运行工况下的应力结果,为顶盖螺栓和机组安全评估提供了基础数据,也为后续顶盖螺栓的设计提供参考。

预紧力作用下水轮机顶盖螺栓刚强度分析

水轮发电机组关键螺栓的安全状态对机组的稳定运行起着重要作用。若螺栓发生断裂,可能导致水淹厂房的重大事故。该文采用ANSYS有限元软件,对某水电站水轮机顶盖连接螺栓进行强度分析,计算了顶盖螺栓在水轮机不同运行工况以及螺栓在不同预紧力情况下顶盖的变形和螺栓的应力分布。结果表明:顶盖螺栓在承受最大水头作用下,水轮机满负荷运行时承受最大应力,其值为181.24 MPa,小于螺栓安全承载极限,故螺栓安全;但螺栓的应力集中明显,现实情况中应多监测螺栓与法兰把合面处的应力大小,保证水轮机组的安全运行。

大型抽水蓄能机组顶盖螺栓裂纹原位在线检测技术研究

水轮机顶盖螺栓是连接水轮机顶盖与座环的重要连接件,其安全状态对水电站安全运行至关重要。超声波在金属内部具有透射深度大、反射率高的特点,可用于检测螺栓内部疲劳裂纹,但常规的超声检测必须在螺栓解体拆出状态下才能进行,否则无法保证裂纹的检出。为了有效监测运行状态下的顶盖螺栓裂纹和损伤情况,本文提出了一种基于压电阵列的超声波传感器,通过压电晶片的分区非均匀激发,形成偏心扇形超声声场,并通过对接收信号进行数字处理,实现水轮机顶盖大型螺栓裂纹的原位在线检测。该技术具有实时性强、精度高、可靠性好等优点,能够有效地在线监测水轮机顶盖大型螺栓的裂纹和损伤情况,为水电站安全运行提供重要保障。

基于光纤光栅技术顶盖螺栓载荷智能监测系统工程应用的研究

水轮发电机组顶盖为机组重要的承载部件之一,顶盖螺栓长期受轴向水推力、转轮上腔水压脉动等交变载荷,螺栓连接的可靠性和安全性对整个机组的正常运行有着至关重要的作用。本文提出了一种基于光纤光栅传感的顶盖螺栓载荷智能监测系统,介绍了传感器设计原理、传感器结构和监测系统设计,应用该系统测量了抽水蓄能电站顶盖螺栓安装时的预紧力及机组停机转抽水调相、抽水调相转抽水、抽水转停机、停机转发电、发电转停机等工况下的螺栓轴力变化。根据测量结果可得出圆周方向均布8颗螺栓同一工况下轴力变化趋势一致,但同一工况下不同位置的螺栓轴力变化量存在差别。采用螺栓载荷智能监测系统对水轮机组顶盖螺栓轴力进行实时监测,可以超前诊断预防不安全事故的发生,为数字化电厂的日常运行监督、检修改造提供技术依据。

基于原型振动测试的水轮机顶盖螺栓疲劳分析

以国内一大型高水头水电站为例,对水轮机顶盖振动展开变负荷稳定工况、开停机工况以及甩负荷极端工况下的原型测试和分析;建立顶盖及螺栓的有限元模型,结合实测振动数据与有限元动力分析,反演了顶盖水压脉动荷载;运用线性疲劳累积损伤理论和雨流计数法,结合机组1 a内的实际运行方式,分别进行了年正常运行工况和甩负荷极端工况下顶盖螺栓的疲劳分析.计算结果表明:100 MW稳定负荷工况时顶盖水压脉动荷载双幅值约为19.3 m水头,为机组额定出力工况(600 MW)的5.6倍;同一工况下顶盖螺栓的破坏循环次数随存活率增大而出现较大程度降低,100 MW稳定负荷工况下存活率由95%增大至99%时,顶盖螺栓的破坏循环次数则由6.488×10^7次降低到2.415×10^7次,降幅为62.8%;考虑99%的存活率标准,甩负荷工况下的顶盖螺栓破坏循环次数为7.494×10^5次,仅为各稳定工况下螺栓疲劳寿命的3%~5%.

水轮机顶盖螺栓受力特性研究

顶盖螺栓是连接水轮机顶盖与座环的重要连接件,顶盖螺栓的安全状态是水电站安全运行的重要保障。以某轴流式水轮机作为研究对象,建立了全三维流体模型和水轮机顶盖及螺栓结构模型,采用流固耦合方法将顶盖过流面压力分布水压力传递给水轮机顶盖,对现场电站螺栓采用中空测力传感器进行现场试验,将螺栓不同截面的等效应力分布与试验结果进行验证,研究表明:顶盖水压力随着水头和导叶开度的增大而增大,最大水头大开度工况顶盖总轴向压力值达到最大;螺栓不同位置截面应力分布不均,螺栓同时承受着轴向应力与弯曲应力,螺栓头部、螺栓与螺纹交接处相比螺栓比螺栓中部截面受力大;不同位置螺栓受力变化趋势一致验证了顶盖耦合面的水压力为轴对称分布的特性;开机时螺栓受力比停机时增加明显,较低负荷振动区,顶盖螺栓受力有所提升,在稳定运行区螺栓受力保持稳定;停机及三个稳定运行工况下数模计算的结果和现场试验吻合,验证了有限元计算的准确性,中空测力传感器能够比较准确的反应螺栓的轴向受力。

180MW立轴混流式水轮机顶盖螺栓断裂原因分析

为找到某大型水电站180MW水轮机在运行过程中发生顶盖螺栓断裂的原因,利用断口分析、化学成分分析、力学性能分析、显微组织检测及强度分析等试验方法对断裂的顶盖螺栓进行分析。结果表明,顶盖螺栓冶金质量差,组织中夹杂物及带状偏析严重,且未进行调质处理,致使螺栓的强度及韧性均不合格。在运行过程中受过流产生的脉动冲击载荷作用,螺纹根部表层夹杂物处形成高应力集中并产生裂纹,以低周高应力疲劳方式扩展,最终以脆性解理的方式失稳断裂。研究成果可为预防同类事故提供借鉴。

轴流式水轮机内外顶盖螺栓刚强度分析

水轮机顶盖螺栓是电站机组的关键连接件之一,若是发生断裂可能导致水淹厂房的严重事故。尤其是轴流式水轮机,具有内外两层螺栓,本文利用ANSYS有限元软件建立了某电站轴流式水轮机顶盖螺栓的模型并划分了网格,基于静力学基本方程及有限单元法对水轮机五种运行工况下顶盖螺栓的刚强度进行了计算分析,比较了内外顶盖螺栓的受力特点,由于机组在甩负荷工况,顶盖自然补气,螺栓受力并未出现最大荷载,顶盖变形和螺栓受力都随着顶盖轴向水压力的增大而增大,机组在最大水头、额定出力时螺栓应力最大。

抽水蓄能电站顶盖螺栓受力特性研究

顶盖螺栓是连接水轮机顶盖与座环的重要连接件,其预紧以及刚强度性能极大地影响着水轮机的安全运行,回龙抽水蓄能电站因顶盖螺栓出现过断裂造成事故。本文基于有限元方法研究M42、M58、M64三种不同直径螺栓在不同工况下的受力特性,并且分析了断面的应力分布特性。M42、M58螺栓最大等效应力大于螺栓材料的强度极限,存在较大安全隐患,直径越大螺栓安全系数越高,提取螺栓其最大应力危险截面,螺栓截面的应力云图呈圆环状分布,最大等效应力发生在螺栓表面,符合表面最开始出现裂纹的真实情况。

顶盖螺栓断裂原因分析

利用化学成分分析、硬度测试、室温拉伸试验及金相检验等方法对顶盖螺栓断裂的原因进行了分析。结果表明:螺栓断裂的原因是螺栓的热处理不合格,造成螺栓的组织不良、性能下降,在安装预紧时发生螺栓过载脆性断裂。

某抽水蓄能电站顶盖螺栓断裂原因分析

某抽水蓄能电站的顶盖螺栓发生断裂,通过螺栓断口分析可以发现,大部分螺栓存在疲劳裂纹,疲劳裂纹均起源于螺纹根部,裂纹源形成的尖端应力集中使螺栓发生断裂。为了分析螺栓断裂的原因,对螺栓的直径进行复核计算,通过计算可以发现,在满足预紧要求的前提下,螺栓的直径偏小,其疲劳强度计算安全系数偏小是螺栓发生疲劳破坏的根本原因。通过增大螺栓直径可以既满足螺栓设计预紧要求,也满足螺栓的疲劳设计要求。

抽水蓄能电站顶盖螺栓的设计及质量控制

抽水蓄能电站的顶盖螺栓对于机组的安全运行起至关重要的作用。由于高强钢具有较强的缺口敏感性,因此螺栓选材时,在结构布置能满足的条件下,尽量避免选用等级过高的螺栓。螺栓设计时,应确定甩负荷工况为设计工况,保证螺栓的预紧安全系数大于2的前提下计算螺栓的总载荷,同时采用螺栓的材料安全系数为1.5计算螺栓的直径。在此基础上需要进行疲劳校核合格。螺栓在安装时,应控制预紧应力不小于工作应力的2倍,同时不超过材料屈服极限的50%~60%。螺栓制造过程中应严格控制锻造和热处理过程,对加工前的坯料进行超声波检测,加工后的螺栓进行磁粉和渗透检测。

顶盖螺栓超声波检测中的回波分析

对某抽水蓄能电厂顶盖螺栓进行超声纵波检测时,发现螺杆部位及螺纹部位存在异常回波,但通过超声横波检测、磁粉检测、渗透检测等方法复核发现,存在回波的部位并无缺陷,通过CAD及声场计算分析了该异常回波出现的原因。

回龙抽水蓄能电站顶盖螺栓改造关键工艺控制

2017年,回龙抽水蓄能电站综合治理改造期间对1号、2号机顶盖螺栓进行改造,螺栓重新设计选型,座环把合螺纹孔扩孔,使顶盖螺栓在各种工况运行时保证有足够的安全裕度.本文对回龙抽水蓄能电站顶盖螺栓及其连接部件从设计选型,结构优化,加工工艺,强度复核计算,座环把合螺孔扩孔等方面进行介绍,以期对国内外其他电站提供有益借鉴.

水轮机顶盖部分螺栓破坏对剩余螺栓强度影响研究

水轮机组关键螺栓的安全状态对机组的稳定运行具有重要作用。针对水轮机顶盖关键螺栓破坏而易导致重大事故的问题,基于ANSYS有限元软件,建立了某轴流式水轮机组座环顶盖及螺栓的三维有限元分析模型,计算了顶盖螺栓全部完好时的的工作性能,考虑部分螺栓松动或断裂,分析剩余螺栓的承载重新分配情况和受力性能,并分析研究了螺栓松动或断裂数量、断裂位置分布对应力的影响。结果表明:部分螺栓失效后,由于受力和承载的偏心及不对称,剩余螺栓的应力值显著升高;螺栓发生松动破坏时,剩余螺栓的最大应力小于螺栓发生断裂破坏时的应力;螺栓发生破坏的数量越多,剩余螺栓承受的应力越大,当8根螺栓发生集中断裂时,剩余螺栓最大应力增幅为13%,达到材料屈服强度的76%,存在极大安全运行隐患。

水轮机顶盖联接螺栓疲劳寿命研究

水轮发电机组关键螺栓的安全状态对机组的稳定运行起着重要作用。针对顶盖螺栓疲劳断裂及其寿命预测的问题,该文基于ANSYS有限元软件,根据疲劳累积损伤理论和材料的S-N曲线,通过名义应力法、局部应力应变法和有限元方法,分析评价顶盖螺栓的疲劳性能,并对顶盖螺栓所受交变荷载的应力幅值和平均值进行敏感性分析。计算结果表明:联接螺栓在机组启停机及甩负荷工况下,单次损伤率最大为2.55×10^(-15),螺栓损伤微乎其微,顶盖螺栓在规定使用年限30年里不会发生疲劳断裂;交变荷载的应力幅值对螺栓疲劳寿命的影响更为显著。

水轮机顶盖部分螺栓断裂后剩余螺栓的强度分析

针对水轮发电机组由于顶盖连接螺栓断裂而导致水淹厂房等严重事故的问题,建立了某电站实际顶盖及螺栓的模型并进行有限元分析.基于ANSYS,采用有限单元法求解静力学基本方程,计算得到各种工况下螺栓的应力分布;研究了某混流式水轮机顶盖全部螺栓正常工作时的强度,对部分螺栓断裂后剩余螺栓的强度进行了分析,对比了螺栓在断裂数量为1,2,4,8根以及断裂位置为90°对称分布、邻近分布、180°分布时的应力情况.计算结果表明:部分螺栓断裂后,由于偏载和突变,其余螺栓的最大应力值都会升高;螺栓断裂个数越多,断裂螺栓的分布位置越邻近,则其余螺栓强度越不足.当断裂螺栓数量为4根且处于邻近分布位置时,剩余螺栓的最大应力为744.03MPa,十分接近螺栓材料的极限容许应力744MPa;当断裂螺栓处于邻近分布位置且数量达到8根时,剩余螺栓的最大应力达776.21MPa,增幅达19.69%,已远远超过材料极限容许应力,威胁电站安全运行.

基于PD-STFA的水轮机顶盖联接螺栓疲劳寿命计算方法研究

水轮机顶盖联接螺栓在运行过程中长期承受交变荷载,由此导致的疲劳损伤造成了多次重大事故,因而有必要对其疲劳寿命计算方法进行深入研究,以提高顶盖联接螺栓疲劳寿命计算的准确性。针对以上问题,提出了一种基于功率密度与短时傅里叶分析(PD-STFA)相结合的水轮机顶盖联接螺栓疲劳寿命计算方法,重点研究加载频率和变幅荷载的耦合作用对顶盖联接螺栓疲劳寿命影响。首先采用有限元法计算出联接螺栓的危险截面位置和应力;其次采用基于应变的中空压力传感器测得螺栓头部接触面平均应力,并根据广义胡克定律将实测得到的螺栓头部接触面平均应力转换为危险截面的受力;最后基于线性损伤累积理论,采用基于PD-STFA方法与传统雨流计数法分别计算顶盖联接螺栓疲劳寿命。计算结果表明,基于PD-STFA方法计算顶盖联接螺栓疲劳寿命为1.966×105h,传统雨流计数法为4.113×105h。根据对电站用户调研,基于PD-STFA方法计算结果更接近螺栓实际工作寿命30 a左右,能够更准确地预测水轮机顶盖联接螺栓的疲劳寿命,为水轮机安全稳定运行提供理论保障。

基于Workbench的水轮机顶盖联接螺栓疲劳分析

水轮机工况转换频繁,顶盖与座环之间的联接螺栓承受的荷载复杂,易发生安全事故。针对水轮机顶盖联接螺栓在运行的过程中长期承受交变荷载带来的疲劳损伤作用,以龚嘴水电厂为例,建立水轮机顶盖、座环及其联接螺栓三维参数化模型,利用电站实测甩负荷数据,采用有限元的方法研究了联接螺栓的应力分布和疲劳寿命。研究结果表明:在甩82.5 MW负荷时,顶盖联接螺栓所受的等效应力最大,为580.96 MPa,在此工况下的疲劳损伤为8.51×10^(-6),预估疲劳寿命为4.8962×10^(4)h;正常运行工况下顶盖联接螺栓所受的最大等效应力为268.94 MPa,在此工况下的疲劳损伤为1.689×10^(-6),预估疲劳寿命为2.4694×10^(5)h。