大型水电站水轮机蜗壳结构研究
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摘要
随着水电事业的发展，现在我国在建及将建的水电站机组的单机容量越来越大。单机容量的增加虽然降低了水轮机的成本，但在蜗壳结构的设计、制造、安装、施工及运行等方面却面临许多新的问题，例如蜗壳结构的振动问题和温度荷载对蜗壳结构应力和强度的影响问题等，这些都应该引起充分的重视。
本文结合某大型水电站的实际情况展开研究，共分七章。首先介绍了蜗壳结构各种型式及设计研究现状，然后以有限元分析基本理论为基础，运用通用有限元分析软件SuperSAP和ANSYS建立模型，分别结合相应的模态分析概念、温度分析理论及非线性分析原理对蜗壳结构各种型式进行了多种方案的有限元动静力计算、温度应力及非线性特性分析，并对本课题值得进一步深入研究的一些问题进行了阐述。
本文在建模及计算过程中尽可能真实地模拟钢衬、垫层、混凝土及钢筋等材料，得出了一些有益结论，对其他类似工程具有一定的参考价值。
With the rapid development of the hydroelectric industry in our country, now enlarging the unit capacity is the chief tendency. The higher unit capacity, the lower cost, but a series of puzzles in the design, manufacture, erection and operation etc of the spiral case have appeared. More attentions should be paid to the natural frequency of vibration and the temperature stress of the concrete of the spiral case.
In accordance with the practice of a large hydropower station, a systematic study has been carried out in this paper. The paper is divided into seven chapters. First, a brief introduction about some main patterns of the spiral case and the general design methods are presented. Then, basing on the finite element theory, a calculation model is set up by using Super SAP and ANSYS. Moreover, A finite element calculation has been performed in the static and dynamic analysis, as well as the temperature stress and nonlinear property, with the leading of the corresponding principles. At last, some suggestions on the further research are proposed.
During the modeling and calculating, the simulation of the steel shell, the cushion layer, the concrete and the rebar etc is as accurate as possible in order to reflect the characteristic of the structure. As a result, some useful conclusions are drawn and can be referred to other similar projects.
本文结合某大型水电站的实际情况展开研究，共分七章。首先介绍了蜗壳结构各种型式及设计研究现状，然后以有限元分析基本理论为基础，运用通用有限元分析软件SuperSAP和ANSYS建立模型，分别结合相应的模态分析概念、温度分析理论及非线性分析原理对蜗壳结构各种型式进行了多种方案的有限元动静力计算、温度应力及非线性特性分析，并对本课题值得进一步深入研究的一些问题进行了阐述。
本文在建模及计算过程中尽可能真实地模拟钢衬、垫层、混凝土及钢筋等材料，得出了一些有益结论，对其他类似工程具有一定的参考价值。
With the rapid development of the hydroelectric industry in our country, now enlarging the unit capacity is the chief tendency. The higher unit capacity, the lower cost, but a series of puzzles in the design, manufacture, erection and operation etc of the spiral case have appeared. More attentions should be paid to the natural frequency of vibration and the temperature stress of the concrete of the spiral case.
In accordance with the practice of a large hydropower station, a systematic study has been carried out in this paper. The paper is divided into seven chapters. First, a brief introduction about some main patterns of the spiral case and the general design methods are presented. Then, basing on the finite element theory, a calculation model is set up by using Super SAP and ANSYS. Moreover, A finite element calculation has been performed in the static and dynamic analysis, as well as the temperature stress and nonlinear property, with the leading of the corresponding principles. At last, some suggestions on the further research are proposed.
During the modeling and calculating, the simulation of the steel shell, the cushion layer, the concrete and the rebar etc is as accurate as possible in order to reflect the characteristic of the structure. As a result, some useful conclusions are drawn and can be referred to other similar projects.
引文
[1] 金钟元，水利机械(第二版)，水利电力出版社，1984．9
[2] 中华人民共和国水利部，水电站厂房设计规范(SL266-2001)，中国水利水电出版社，2001．2
[3] 黄安录，水电站钢蜗壳与外围混凝土结构的受力特性研究，西安理工大学学报，1995．11
[4] 杨菊生，混凝土蜗壳空间有限元分析及其结构特性研究，水力发电学报，1988．3
[5] 李胜军，李振富，王日宜，高水头抽水蓄能电站蜗壳混凝土与钢衬联合作用应力分析方法研究，水利水电技术，1998．12
[6] 朱伯芳，有限单元法原理与应用(第2版)，中国水利水电出版社，1998．10
[7] 中华人民共和国国家经济贸易委员会，水电站压力钢管设计规范(DL／T5141-2001)，中国电力出版社，2001．12
[8] 董哲仁，钢衬钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析，中国水利水电出版社，1998．4
[9] 中华人民共和国水利部，水工混凝土结构设计规范(SL／T191-96)，中国水利水电出版社，1997．2
[10] 董哲仁，钢筋混凝土非线性有限元法原理与应用，中国铁道出版社，1993
[11] 王林玉，朱向荣，钟秉章，大型水电站蜗壳外围混凝土结构受力研究，水力发电，1998．12
[12] 郭潇，张志强，于玉森，王振光，万家寨水电站蜗壳组合结构有限元分析，水利水电工程设计，1999．4
[13] 王胜，王积军，熊卫，柴志阳，小浪底水电站蜗壳外围混凝土结构设计，人民黄河，2000．11
[14] 张任芬，钢筋混凝土蜗壳的设计与施工问题总结，广西水利水电，1997．1
[15] 黄安录，阎建文，水电站蜗壳联合承载结构内水压力荷载分配规律的研究，陕西水力发电，1996．3
[16] 王华彬，谈蜗壳与钢筋混凝士的联合受力，西北水电，1991．1
[17] 郑太然，栾宇东，吕永明，连花电站蜗壳设计，东北水利水电，1998．1
[18] 顾鹏飞，喻远光，水电站厂房设计，水利电力出版社，1987
[19] 匡会健，伍鹤皋，秦继章，马善定，大型水轮机蜗壳充水加压结构形式三维有限元分析，压力管道，1998
[20] 严锦丽，徐志明，水轮机座环与蜗壳结构刚强度静力分析，水电站机电技术，2001．1
[21] 徐家诗，赵志仁，安康水电站蜗壳外围混凝土结构设计与原型观测研究，水力发电，1995．9
[22] 匡会健，伍鹤皋，马善定，二滩水电站钢蜗壳与外围混凝土联合承载结构研究，水电站压力管道、叉管、蜗壳，1993
[23] 陈颖豪，黄顺强，广州抽水蓄能电站机组蜗壳与混凝土联合受力结构设计，水力发电，1993．7
[24] 李胜军，李振富，王日宣，设有垫层的水电站蜗壳结构联合承载分析，水力发电学报，1998．4
[25] 刑鸿燕，王秋成，无垫层蜗壳结构共同作用的有限元分析，浙江工业大学学报，1997．3
[26] 鲁一晖，马震岳，钢衬和钢筋混凝土联合承载蜗壳结构分析，大连理工大学学报，1995．6
[27] 舒扬棨，王日宣，水电站厂房动力分析，水利电力出版社，1987．6
[28] 阎力，水电站钢蜗壳与钢筋混凝土联合承载结构试验研究，水利学报，1995．1
[29] (日)户川隽人，振动分析的有限元法，地震出版社，1985．5
[30] 蒋友谅，非线性有限元法，北京工业学院出版社，1988．6
[31] 张远高，陆明万，黄克智，弥散／分层加筋混凝土有限元模式，固体力学学报，1990．4
[32] 李胜军，马波，王日宣，吴健生，钢筋钢衬混凝土蜗壳结构非线性分析，天津大学学报，1999．5
[33] O.C. Zienkiewicz, Finite Element Methods in the Analysis of Reactor Vessels, Nuclear Engineering and Design, Vol. 20, 1972, No. 2
[34] S. Casacci Des S, C. Moulin, and J. Bosc, Modern Rtends in Very Large Hydraulic Turbines, Water power and Dam Construction, 1975, Vol. 27, No. 10
[35] E. Andrew, Intakes and penstocks at Reza Shah Kabir, Water Power and Dam Construction, 1978, Vol.30, No. 3
[36] Prem S. Nigam, Stresses in Concrete around Spiral Case, Jour. of the Power Division ASCE, 1976, Vol. 102, No. 901
[37] Chen WF, Plasticity in Reinforced Concrete, McGraw-Hill Book CoMPany, 1982
[38] C.S. Desai., Computational Procedures for Non-linear 3-D Analysis with Some Advanced Constitutives, Int. J. Num. Analys. Math Geomech., Vol. 7, 1983
[39] Rao, S.S., The Finite Element Method in engineering, Pergamon Press, 1982
[40] 董哲仁，钢筋混凝土非线性分析研究进展，水利水电技术，1998．10
[41] 朱伯芳，王同生，丁宝瑛，郭之章，水工混凝土结构的温度应力与温度控制，水利电力出版社，1976
[42] 伍鹤皋，马善定，三峡水电站压力管道非线性有限元分析，武汉水利电力大学学报，1994．12
[43] 马善定，汪如泽，水电站建筑物，中国水利水电出版社，1996
[44] 王勖成，邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，清华大学出版社，1997．3
[45] 张汝清，詹先义，非线性有限元分析，重庆大学出版社，1988
[46] 周建旭，索丽生，郭锐勤，水电站水力振动实例分析，水力发电学报，1998．4
[47] 卓家寿，大型电站混凝土蜗壳结构的等参单元法计算成果分析，海河水利，1983．2
[48] 杨菊生，揽生瑞，水电站混凝土蜗壳有限元计算分析，陕西机械学院学报，1985．4
[49] 董哲仁，钢衬钢筋混凝土压力管道混凝土裂缝宽度数学模型，水力发电，1996．5
[50] 章泳健，蓄能电站厂房有限元动力分析，武汉汽车工业大学学报，1997．12
[51] 章泳健，天荒坪电站厂房有限元动力分析，常熟高专学报，1996．12
[52] 于俊红，黄勇，广蓄二期工程地下厂房结构振动研究及减振措施，水力发电，2001．11
[53] 马震岳，王溢波，董毓新等，红石水电站机组振动及诱发厂坝振动分析，水力发电，2000．9
[54] 马震岳，董毓新，郭永刚，李彦硕，三峡水电站厂房结构动力分析与优化，水电能源科学，2000．9
[55] 王文宁，岩滩水电站厂房自振特性计算，广西大学学报，1997．3
[56] 三峡工程引水钢管与厂房水下结构分析，中国水利水电科学研究院，1990．9
[57] 沈可．水电站厂房结构振动研究，广西大学博士学位论，2002
[58] 赵德海，巨型压力钢管取消厂坝间伸缩节研究及厂房结构静动力分析，大连理工大学博士学位论文，2001
[59] 李曼，考虑围岩联合承载的埋藏式钢又管有限元分析，武汉大学硕士学位论文，2003
[60] 苏凯，水工隧洞钢筋混凝土衬砌非线性有限元分析，武汉大学硕士学位论文，2003
[61] 张伟，三峡三期碾压混凝土拱围堰方案方案研究，广西大学硕士学位论文，2003
[2] 中华人民共和国水利部，水电站厂房设计规范(SL266-2001)，中国水利水电出版社，2001．2
[3] 黄安录，水电站钢蜗壳与外围混凝土结构的受力特性研究，西安理工大学学报，1995．11
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[42] 伍鹤皋，马善定，三峡水电站压力管道非线性有限元分析，武汉水利电力大学学报，1994．12
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[50] 章泳健，蓄能电站厂房有限元动力分析，武汉汽车工业大学学报，1997．12
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