水电站配水环管结构非线性分析与设计优化

论文摘要

冲击式水轮机电站的建设无需巨型大坝，它适用于高水头，而且发电需要的流量也较小，因此它在环境保护的意义上，比其他电站更具有优势。冲击式水轮机未来的发展趋势是向高水头、大容量的方向发展，传统的小型卧式机组将逐渐被结构和控制简单的立式多喷嘴高转速机组取代。配水环管是冲击式水轮机重要的过流部件，他与喷嘴钢管，结构形式较为复杂，与一般的钢蜗壳有很大区别；如何进行合理的优化设计，是影响水电站安全运行关键问题之一，为此有必要对配水环管结构的受力状态进行深入的研究。因此，本文结合国外阿莱瓦工程建设实践，在收集和总结前人经验的基础上，以大型通用有限元分析软件ANSYS为平台，对保压值配水环管结构结构进行以下几个方面的研究：(1)对配水环管充水保压值进行优选，采用三维有限元方法对配水环管和外围混凝土进行线性计算，对机组的运行性能、外围混凝土的应力状态、变形规律和钢筋配置等进行综合比较，选择合理的保压值；(2)根据选定的充水保压值，对配水结构进行不同配筋率下的三维有限元非线性分析，分别研究其对外围混凝土裂缝分布、最大裂缝宽度、钢衬和钢筋的应力分布情况的影响规律，确定合理的混凝土配筋方案；(3)根据合理配筋方案，取不同的保压水头进行非线性计算，研究保压水头对承载比的影响和不同保压值下裂缝的分布与开展情况，进一步验证初选保压值的合理性；(4)温度荷载对配水环管结构有着不可忽视的作用。利用有限元理论，对配水环管外围混凝土在温度荷载作用下的应力与变形情况进行计算分析，分析温度荷载的影响，分析温度变化对配水环管结构配筋的影响。本文着重从保压值初选，非线性分析，温度敏感性分析对高水头配水环管结构进行了研究，对其他冲击式水电站建设、运行及管理有较高的参考价值和实际应用意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究背景
• 1.2 水轮机蜗壳结构型式
• 1.2.1 垫层蜗壳
• 1.2.2 充水加压蜗壳
• 1.2.3 完全联合承载蜗壳
• 1.3 水电站蜗壳结构的发展状况
• 1.3.1 国外发展情况
• 1.3.2 国内发展情况
• 1.3.3 充水预压蜗壳的研究现状
• 1.3.4 蜗壳结构中裂缝的研究情况
• 1.3.5 蜗壳结构中温度荷载研究情况
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 研究的理论基础和方法
• 2.1 钢筋混凝土有限元模型
• 2.1.1 钢筋模拟
• 2.1.2 混凝土的模拟
• 2.1.3 混凝土裂缝的数学模型
• 2.2 关于钢筋混凝土裂缝控制的研究
• 2.2.1 裂缝间距计算
• 2.2.2 最大裂缝宽度计算
• 2.3 混凝土温度应力的有限元分析
• 2.3.1 温度场分析原理
• 2.3.2 温度应力分析原理
• 3 配水环管充水保压值优化分析
• 3.1 研究的工程背景
• 3.2 计算荷载与工况
• 3.2.1 作用在结构上的荷载
• 3.2.2 材料特性
• 3.3 计算模型
• 3.3.1 计算范围
• 3.3.2 计算模型简化
• 3.4 计算方案
• 3.5 计算成果分析
• 3.5.1 计算成果
• 3.5.2 配水环管外围混凝土应力
• 3.5.3 配水环管保压水头的影响因素
• 3.5.4 配水环管保压水头的确定
• 3.6 结论
• 4 配水环管结构非线性分析
• 4.1 研究内容
• 4.1.1 不同配筋率下的非线性计算
• 4.1.2 不同保压值下的非线性计算
• 4.2 计算荷载与模型
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 荷载及约束分布
• 4.3 不同配筋率下的非线性分析
• 4.3.1 计算工况
• 4.3.2 计算成果与分析
• 4.3.2.1 钢筋应力
• 4.3.2.2 钢衬应力
• 4.3.2.3 裂缝验算
• 4.3.2.4 喷嘴处混凝土裂缝的分布情况
• 4.3.3 小结
• 4.4 不同保压值下的非线性计算
• 4.4.1 计算荷载与工况
• 4.4.2 计算结果与分析
• 4.4.3 小结
• 4.5 结语
• 5 配水环管结构温度敏感性分析
• 5.1 研究内容与背景
• 5.2 计算基本情况
• 5.2.1 计算模型
• 5.2.2 参数数据
• 5.3 温度场的计算
• 5.4 温度应力计算
• 5.4.1 计算成果
• 5.4.2 冬季温度应力
• 5.4.3 夏季温度应力
• 5.5 温度应力对结构配筋的影响
• 5.5.1 数值计算
• 5.5.2 应力分析
• 5.5.3 配水环管结构配筋量分析
• 5.6 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢