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舉世矚目的三峽工程隨著1997年11月6日長江截流的順利完成，標(biāo)志著三峽工程項(xiàng)目一期工程勝利結(jié)束，也就是三峽工程由投入期向收益期過渡的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。2003年6月25日，伴隨著三峽工程2#水輪發(fā)電機(jī)組與華中電網(wǎng)并網(wǎng)調(diào)試成功，首度“三峽電”悄然誕生，匯入電網(wǎng)星河。據(jù)悉，在三峽左岸電站14臺水輪發(fā)電機(jī)組主輔設(shè)備，有51%為中國制造。2003年國務(wù)院決定繼續(xù)進(jìn)行三峽右岸機(jī)組的建設(shè)開發(fā)，同時要求三峽右岸機(jī)組采用國際化招標(biāo)方式，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用同臺對比水力性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果決定三峽右岸機(jī)組的制造廠。三峽右岸機(jī)組的開發(fā)建設(shè)，對公司而言，既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，與我們競爭的對手剛好是當(dāng)年的技術(shù)轉(zhuǎn)讓方。我們能否趕上或超過國外公司，完全取決于我們技術(shù)轉(zhuǎn)讓消化吸收的水平和我們的技術(shù)實(shí)力。
本文從對轉(zhuǎn)輪的剛強(qiáng)度分析入手，著重介紹在三峽右岸水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計過程中，我們在轉(zhuǎn)輪剛強(qiáng)度分析時采用的分析手段和方法。由于采用了先進(jìn)的有限元分析技術(shù)手段，使得我公司一舉中得右岸機(jī)組23#～26#共4臺機(jī)組。三峽右岸23#～26#機(jī)組是我公司自行開發(fā)研制，具有自主知識產(chǎn)權(quán)大型水輪發(fā)電機(jī)組。三峽機(jī)組的安全運(yùn)行標(biāo)志著我公司在大型水電機(jī)組設(shè)計上進(jìn)入一個新的臺階，同時也標(biāo)志著我公司的技術(shù)水平達(dá)到世界先進(jìn)水平。
在用有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，總剛度陣的計算是最費(fèi)機(jī)時的，為了節(jié)省存儲和縮短計算時間，對于周期對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時，可選取一個對稱周期作為有限元分析的力學(xué)模型。但這樣導(dǎo)致一個問題:如何處理兩個切開斷面的節(jié)點(diǎn)，才能保證有限元分析的周期恰好反映原來的實(shí)際結(jié)構(gòu)，此問題是求解上述大部件關(guān)鍵問題之一。正確處理好切開斷面節(jié)點(diǎn)的邊界條件，是準(zhǔn)確進(jìn)行有限元分析的前提。由于是周期對稱結(jié)構(gòu)，所以必須保證切開斷面上對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的各種位移協(xié)調(diào)一致，如圖所示。設(shè)ｉ，ｊ是一對周期對應(yīng)點(diǎn)，則有θｊ=θｉ+θ0且θ0=2πｎ(ｎ為周期數(shù))是計算周期所包的中心角。
對于任意物體，在外力{ｐ}的作用下，物體內(nèi)部任意位置均產(chǎn)生一定的內(nèi)力{R}。在進(jìn)行有限元分析時，受計算機(jī)容量等因素的限制，對于周期對稱結(jié)構(gòu)而言，僅選取一個完整的對稱周期作為分析模型進(jìn)行分析，可以表述整體分析模型的應(yīng)力和位移。但這樣導(dǎo)致一個問題：如何處理兩個切開斷面的節(jié)點(diǎn)，才能保證有限元分析的周期恰好反映原來的實(shí)際結(jié)構(gòu)。因?yàn)閷φw結(jié)構(gòu)而言，每個切開斷面上均存有內(nèi)力，當(dāng)我們選取分析研究周期時，為滿足力的平衡方程，切開斷面上的內(nèi)力變成了外力，所以選取分析研究周期時，必須考慮切開斷面上的所有內(nèi)力{R}，但是原來在整體模型中切開斷面上的所有內(nèi)力變成周期對稱分析模型的外力。因此，式(5)中{P}和{R}是與{δ}相對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)力向量。
處理周期對稱邊界條件問題，實(shí)際上就是要對式進(jìn)行一種變換，使其右端不含未知的內(nèi)載荷{R}，并保持剛度矩陣的原有對稱性，依據(jù)這一原則所作的變換應(yīng)為利用式，則有據(jù)此，
簡記為刪除上式中第ｉ行，第ｉ列后，則可得不包含未知力(內(nèi)力載荷)的(ｍ-1)個方程所構(gòu)成的方程為求解上述方程組，即可得δｊ，根據(jù)式，又可確定δｉ。
混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是典型的周期對稱結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的周期對稱性，有限元分析時可選取包含一個完整葉片在內(nèi)的扇形區(qū)域(扇形角為2/N，N為葉片個數(shù))作為一個分析計算模型，如圖所示。分析時，為保證上冠、下環(huán)切開斷面上相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移協(xié)調(diào)，采用周期對稱邊界條件，如圖所示；同時，為防止產(chǎn)生剛體位移，約束主軸法蘭把合螺栓分布圓上所有節(jié)點(diǎn)的R、θ、Z自由度；在有限元分析之前，將所有節(jié)點(diǎn)的位移坐標(biāo)均修改到以機(jī)組中心為Z坐標(biāo)的圓柱坐標(biāo)系中。根據(jù)我公司多年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在額定水頭(額定出力工況)的應(yīng)力水平大于最大水頭(額定出力工況)，因此在對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行剛強(qiáng)度分析時，主要以額定水頭額定出力工況和飛逸工況作為分析計算的考核標(biāo)準(zhǔn)。
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