新安江水电站进水口检修闸门拉杆改造与有限元强度分析_顾承庆.pdf

78水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20230引言进水口检修闸门是水轮发电机组检修时用于隔离上游水源的关键部件1，2。新安江水力发电厂（以下简称新安江电厂）进水口检修门的门槽底坎距离坝面足有 44.6m，必须采用专用多节拉杆配合坝顶门机副钩才能完成闸门的启闭操作。该拉杆分为 5 节，总长度为 35.36m/40.36m。每当机组检修停/复役操作时，需将 5 节拉杆逐一拆装、吊运，5 次起吊闸门才能完成检修门的启闭工作，操作极其繁琐。此外，在机组运行时，多节拉杆拆卸后长时间堆放在坝面，占地面积较大，影响坝顶门机操作、观测设施巡检等工作，存在一定安全隐患。同样的问题也出现在梨园水电站，该电站进水口检修闸门启闭时采用多节杆操作（7 节），拉杆之间采用销轴连接。在穿销过程中调节空间有限，工序烦琐，十分耗费人力，且无固定操作平台，极易造成安全问题。为解决该问题设计了专用的拉杆穿销平台，方便穿销操作3。青铜峡水电站泄水管检修闸门同样采用 7 节拉杆进行检修阀门的起吊操作，每次起吊仅能提升一节拉杆，每次均需拆卸 40kg 连接销，单次起吊工作需 6 小时。该水电站通过更换起落门机，提升单次起吊拉杆节数，提升操作效率4。厄瓜多尔 CCS水电站为提升多节杆启闭效率，布置了专用检修平台，采用可移阀门拉杆锁定装置，以提升检修阀启闭效率5。由上述文献可知，水电站检修闸门与坝面距离普遍较大，且起重设备行程较短，导致多节拉杆结构被水电站检修闸门广泛使用，但其因起吊操作烦琐，结构装配复杂，导致其运行率较低。虽各电站采取不同措施简化操作，提升效率，但并未从根本上解决多节拉杆结构需拆装，这一导致效率低下的根本原因。本文结合新安江电厂实际情况，提出伸缩套杆结构设计，拟采用伸缩套杆结构代替多节拉杆结构，使闸门启闭时无须对拉杆进行拆装操作，且闸门开启时拉杆处于缩起状态。为验证所设计结构可靠性，采用 ANSYS Workbench 平台对结构进行强度分析。该成果可为伸缩套杆结构的安全运行及后续结构优化设计提供理论依据。1伸缩套杆设计说明1.1伸缩套杆设计伸缩套杆结构由 6 节套筒结构组合，套杆直径分别为新安江水电站进水口检修闸门拉杆 改造与有限元强度分析顾承庆1，邓亚新1，厉洪祥1，王青华2，朱春鹏2（1国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江省杭州市311608；2上海安乃基能源科技有限公司，上海市201315）摘要：新安江水电站检修门的门槽底坎距离坝面足有 44.6m，必须采用专用多节拉杆配合坝顶门机副钩才能完成闸门的启闭操作。每当机组检修停/复役操作时，需将多节拉杆逐一拆装、吊运，经多次起吊闸门才能完成检修门的启闭工作。本文对闸门拉杆进行改装研究，采用伸缩套杆结构替换原多节拉杆结构，每节套杆间由穿销锁定，使闸门启闭时无需对套杆进行拆装操作，提升吊装效率。为验证套杆结构可靠性，采用 ANSYS Workbench 平台对伸缩套杆结构进行有限元强度分析。结果表明：所设计的伸缩套杆结构，在各运行工况下最大等效应力值均小于材料屈服极限，满足强度需求。研究成果可为伸缩套杆结构的安全运行及后续结构优化设计提供理论依据。关键词：检修闸门；伸缩套杆；结构设计；强度校核中图分类号：TV735文献标识码：A学科代码：570.3520DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.013基金项目：国网新源控股有限公司科技项目（SGXYXA00FJJS2100027）。79顾承庆等：新安江水电站进水口检修闸门拉杆改造与有限元强度分析90 mm、168 mm、219 mm、273 mm、325 mm 与 377 mm。图1 为伸缩套杆堆叠与展开状态示意图。伸缩套杆主体由拉环、横梁以及拉杆组成。拉杆为中空结构，能有效节省空间利用，吊装工况下无须进行拆卸。图中对不同直径套筒进行标注，给出了局部结构放大视图，并对其进行编号（下文以编号代称局部结构，如#1 结构）。3号5号6号4号2号1号90168219273325377阀门吊环横梁拉环(a)堆叠状态(a)Contracted state(b)展开状态(b)Expanded state图 1伸缩套杆堆叠与展开状态示意图Figure1The sketches of the telescopic rod in the contracted&expanded states 图 2 以#1 套杆与#2 套杆为例给出了两节套杆连接示意图。起吊时#1 套杆底部销与#2 套杆滑槽顶部配合，传递拉力。伸缩套杆结构原始模型由 Proe 建立。1.2伸缩套杆运行说明以#1 套杆的拉升过程来说明闸门检修的操作过程：将起重设备与#1 拉环固定；起重机开启带动闸门提升#1 套杆长度；将#2 套杆横梁架至主支撑架；将#1 套杆退回至#2 套杆筒内；将起重设备与#2 拉环固定。按上述步骤重复可完成套杆吊装，直至闸门吊出检修平台进行检修。检修完毕，闭门与启门过程的程序相反。图 3 以过程为例，给出了#2 横梁支撑示意图。1号套杆1号套杆未装配1号销2号套杆2号横梁图 2套杆连接示意图Figure 2The sketch of the joins of he telescopic rod 主支撑架2号横梁1号套杆2号套杆 图 3#2 横梁支撑示意图（过程）Figure 3The sketch of the supported crossbeam of#2 telescopic rod（operation 3）2伸缩套杆强度校核2.1有限元模型网格划分网格划分对有限元计算结果影响较大6。由伸缩套杆整体结构易知，#1 套杆为整体结构最薄弱部件，为此，对该部位模型网格划分时，适当加密其网格密度。经网格无关性验证确定#1#6 套杆结构有限元单元数分别为 87.6 万、85.5万、83.4 万、80.6 万、85.8 万与 98.5 万个。图 4 以#1 拉杆为例，给出了有限元网格模型。表 1 以#1 套杆为例，给出了网格无关性验证结果，易知该网格密度已达到计算精度要求。80水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023 图 4#1 伸缩套杆模型网格Figure 4The grid model of#1 telescopic rod表 1网格无关性验证Table1 Thecheckingoftheirrevelentofthegridsnumber网格数/万应力/MPa误差总变形/mm误差28.7134.438.4%3.8720.8%51.8195.810.2%4.1515.1%87.6216.30.8%4.860.6%104.6（参照）218.10%4.890%2.2有限元模型边界条件设置采用 ANSYS Workbench 有限元分析平台7对伸缩套杆进行有限元强度分析。实际情况下，阀门吊装与闭门过程速度缓慢，仿真计算时不计加速度产生的惯性力，外部载荷仅考虑拉杆自重与被拉闸门重量，总计 20t。由伸缩套杆运行说明可知，吊装与闭门过程中，伸缩套杆分别存在着拉环吊装与横梁支撑两个状态，边界条件设置如下：横梁支撑工况：主支撑架底部设置固定约束，阀门拉环位置设置力载荷，载荷方向与拉杆方向一致见图 5（a），模拟拉杆自重与被拉闸门的重量产生的载荷，具体详见图 5（b）横梁支撑工况边界条件设置。拉环吊装工况：拉环吊装时，将#1 套杆顶部拉环内孔设置固定约束，#6 套杆底部阀门吊环内控设置力载荷，载荷方向大小与横梁支撑工况一致，模拟拉环吊装过程中拉杆自重与被拉闸门的重量产生的载荷。2.3材料属性转子支架材料均为 45 号钢，其弹性模量为 206GPa，泊松比为 0.28，密度为 7850kg/m3，屈服极限为 420MPa，极限抗拉强度为 475MPa8。2.4许用应力确定许用应力 p与材料屈服极限 lim 的关系如下：p lim/S （1）式中：S 为安全系数，其计算公式如下9：S=S1S2S3（2）式中：S1考虑材料可靠性（机械性能的均匀性，内部缺陷 等）S1=1.05 1.10；S2考 虑 零 件 的 重 要 程 度，一 般S2=1.0 1.3；S3考虑计算的精确性，一般 S3=1.2 1.3。为确保结构可靠，本文安全系数按最高标准选取。拉杆许用应力为 226 MPa。3结构强度计算结果3.1横梁支撑工况图 6 为横梁支撑工况，伸缩套杆整体结构 von-Mises(a)载荷加载位置(a)The loading position(b)固定约束位置(b)The fixed constraint position图 5横梁支撑工况边界条件设置Figure 5Settings of boundary conditions for the crossbeam in the sopported state81顾承庆等：新安江水电站进水口检修闸门拉杆改造与有限元强度分析等效应力分布。各伸缩套杆主体结构应力分布较为均匀，随着套杆直径的增加，应力值呈现降低趋势，由#1 套杆（90 mm）的 31.4MPa 降 低 至#6 套 杆（377mm）的13.7MPa。图 7 给出了横梁支撑工况下，各套杆结构局部应力分布云图。结构 von-Mises 等效应力最大值为 216.3MPa，最大应力位于横梁与主支撑支架接触位置处，详见图 7（a）。仿真中尖锐的没有过度的地方会偏大，实际情况下横梁与套杆支架接触部位的锐度远低于仿真情况，应力集中的情况将大大降低。图 7（b）（f）给出了#2#6 局部结构的应力分布云图，von-Mises 等效应力值远低于#1 部位，应力值范围为 30 70MPa。横梁支撑工况下套杆结构最大等效应力值小于 lim，强度满足设计要求。图 6伸缩套杆整体结构等效应力分布Figure 6Equivalent stress distribution of the telescopic rod in the supported state图 7横梁支撑工况各套杆等效应力分布（一）Figure 7Equivalent stress distribution of all rods in the supported state(a)#1局部结构等效应力分布(a)Equivalent stress distribution of#1 rod(b)#2局部结构等效应力分布(b)Equivalent stress distribution of#2 rod(c)#3局部结构等效应力分布(c)Equivalent stress distribution of#3 rod(d)#4局部结构等效应力分布(d)Equivalent stress distribution of#4 rod82水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023 3.2拉环吊装工况图 8 为拉环吊装工况下套杆结构等效应力分布。同样，随着套杆直径的增加，应力值呈现降低趋势，由90 的31.5 MPa 降低至377 的 13.6 MPa。相较于横梁支撑工况，吊装工况仅将支撑部位由横梁转移至拉环，除图 9 所示的#1结构局部应力分布发生改变，套杆结构整体应力分布与横梁支撑工况一致。图 10 为拉环吊装工况下伸缩套杆最大等效应力发生位置（90 套杆销与168 套杆滑槽顶部），应力值为185.7MPa。拉环吊装工况下整体结构最大等效应力值同样小于 lim，满足强度要求。图 8整体结构等效应力分布Figure 8Equivalent stress distribution of the telescopic rod in the hoisted state4结论结合新安江电厂实际情况，设计了进水口检修闸门新型伸缩套杆结构，使闸门启闭时无须对拉杆进行拆装操作，提升阀门吊装效率。同时，建立了伸缩套杆结构有限元分析模型，对伸缩套杆拉环吊装与横梁支撑工况进行有限元仿真，得到两种工况下结构 von-Mises 等效应力分布，结论如下：图 9#1 结构局部等效应力分布Figure 9Equivalent stress distribution of#1 local structure横梁支撑工况：伸缩套杆整体结构等效应力随着套杆直径的增加呈现降低趋势（由90 套杆的 31.4MPa 降低至377图 7横梁支撑工况各套杆等效应力分布（二）Figure 7Equivalent stress distribution of all rods in the supported state(a)#1局部结构等效应力分布(a)Equivalent stress distribution of#1 rod(b)#2局部结构等效应力分布(b)Equivalent stress distribution of#2 rod(c)#3局部结构等效应力分布(c)Equivalent stress distribution of#3 rod(d)#4局部结构等效应力分布(d)Equivalent stress distribution of#4 rod(e)#5局部结构等效应力分布(e)Equivalent stress distribution of#5 rod(f)#6局部结构等效应力分布(f)Equivalent stress distribution of#6 rod83顾承庆等：新安江水电站进水口检修闸门拉杆改造与有限元强度分析套杆的 13.7MPa）。结构 von-Mises 等效应力最大值位于横梁与套杆支架接触位置处，最大值为 216.3MPa。拉环吊装工况：除#1 套杆局部应力分布发生改变，套杆结构整体应力分布与横梁支撑工况一致。此时，伸缩套杆整体结构等效应力最大出现在90 与168 两节套杆卡扣部位，值为 185.7MPa。各工况等效应力均小于许用应力 lim，结构不会发生强度破坏，结构强度满足要求，可安全运行。新型伸缩套杆结构相较于原多段式结构，在安装与操作方面展现巨大优势，该成果可为伸缩套杆结构的运行、优化及推广提供理论依据。图 10拉环吊装工况最大应力出现位置Figure 10Locations of maximum stress of the telescopic rod in the hoisted state参考文献1 黄少奇.峡江水利枢纽进水口检修闸门安装技术 J.水电站机电技术，2016，39（2）：54-57.2 张文科，王海峰，朱增兵，等.一门一机布置型式在里底水电站进水口事故闸门的应用 J.西北水电，2019（6）：97-99.3 张建国，骆科军.梨园水电站进水口检修闸门拉杆穿销平台方案设计 J.云南水力发电，2020，36（1）：107-109.4 魏小银.青铜峡水电站泄水管检修闸门起吊方式改变的方法及推广运用 C.全国大中型水电厂技术协作网第二届年会论文集，2005，197-205.5 侯庆宏，周伟.液压启闭机带多拉杆启闭平面闸门的设计 J.水科学与工程技术，2018，（4）：59-61.6 古松.网格划分方式及密度对有限元模型计算结果的影响 J.中国水运（学术版），2006（10）：122-123.7 马鹏强.基于 ANSYS Workbench 的水电站坝后浅埋管有限元分析及优化 D.兰州理工大学，2019.8 胡昌明，贺红亮，胡时胜.45 号钢的动态力学性能研究 J.爆炸与冲击，2003（2）：188-192.9 成大先.机械设计手册 第 1 卷 M.北京：化学工业出版社，1969：113-115.收稿日期：2022-11-08 修回日期：2022-12-23顾承庆（1988），男，高级工程师，主要研究方向：水电站设备检修维护、改造研究等。邓亚新（1981），男，高级工程师，主要研究方向：水电站设备检修维护、改造研究等。厉洪祥（1989），男，工程师，主要研究方向：水电站设备检修维护、改造研究等。王青华（1975），男，高级工程师，主要研究方向：大型结构及旋转机械振动故障诊断与处理、现场设备性能试验、机械结构设计、MEMS 传感器及动态信号采集系统开发等。E-mail：dsy_朱春鹏（1980），男，工程师，主要研究方向：机械结构设计、现场测试及故障诊断、振动采集系统开发等。E-mail：Modification and Finite Element Strength Analysis for the Tie Rod of Maintenance Gate of Xinanjiang Hydropower StationGUChengqing1，DENGYaxin1，LIHongxiang1，WANGQinghua2，ZHUChunpeng2（1StateGridXinYuanhydropowerCo.，XinAnriverHydroelectricPowerStation，Hangzhou311608，China；2ShanghaiEnergyScience&TechnologyCo.Ltd.，Shanghai201315，China）Abstract：ThegateslotofthemaintenancegateofXinanjianghydropowerstationis44.6mawayfromthedamsurface.Theopeningandclosingoperationofgatecanbecompletedonlybyusingspecialmulti-sectionpullrodsandtheauxiliaryhookofthegantrycraneondamcrest.Whenevertheunitisoverhauled，shutdownorputintoservice，ithastodisassembleandliftthemultisectionpullrodsonebyone，andtheopeningandclosingofthemaintenancegatecanbecompletedonlyafterliftingthegateformanytimes.Inthispaper，thegatepullrodisreformedandstudied.Thetelescopicsleeverodsareusedtoreplacetheoriginalmulti-sectionpullrodstructure.Eachsleeverodislockedbyapin，sothatthereisnoneedtodisassemblethesleeverodwhenthegateisopenedandclosed，soastoimprovethehoistingefficiency.Inordertoverifythereliabilityofthetelescopicsleeverodstructure，thefiniteelementstrengthanalysisofthetelescopicsleeverodiscarriedoutbyusingANSYSWorkbench.Theresultshowsthatthemaximumequivalentstressofthedesignedtelescopicsleeverodislessthanthematerialyieldlimitundervariousoperatingconditions，whichmeetsthestrengthrequirements.Theresearchresultcanprovideatheoreticalbasisforthesafeoperationoftelescopicrodstructureandthesubsequentstructuraloptimizationdesign.Keywords：maintenancegate；telescopicsleeverod；structuraldesign；strengthcheck