某水電站已經(jīng)運行了40余年，期間經(jīng)歷了多次機組改造以及數(shù)字模擬分析，但均未對機組上機架進行有效的應力分析。上機架作為水輪發(fā)電機組最重要的部件之一，不僅要承受機組轉(zhuǎn)動部分的全部重量、機架自重等引起的靜載荷；而且在機組運行過程中，還將受到軸向水推力等引起的交變動載荷，這將給機組安全運行帶來潛在的隱患。本文對電站上機架的典型工況下作了應力應變測試研究，分析了上機架改造后是否滿足剛強度要求，這為下一步上機架的疲勞強度校核奠定了基礎(chǔ)。

該電站發(fā)電機組額定容量40MW，額定轉(zhuǎn)速500r/min，飛速轉(zhuǎn)速820r/min，設(shè)計水頭290m，設(shè)計流量17.5m³/s，設(shè)計出力45.8MW。

使用儀器

儀器采用聚航科技生產(chǎn)的JHDY動態(tài)應變儀，多通道選擇，所有通道同步采樣。軟件式操作，測試數(shù)據(jù)實時顯示，自動保存，自動生成報表。

測試內(nèi)容

采用電阻應變法對水輪發(fā)電機組上機架進行了現(xiàn)場應力分析，測試點共有5個。其中1-4號測試點均在上機架4號支腿上的腹板上。由于機組是旋轉(zhuǎn)機械，四條支腿受力是相同的，因此選擇了一個支腿。5號測試點選擇了上機架頂端1號支腿與4號支腿的角平分線上。這是因為在應力分析中，不僅要考慮到支腿上受到應力情況，還要考慮到上機架頂端平面的應力情況。

上機架材料為Q235鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3?，F(xiàn)場測試選擇工況；轉(zhuǎn)子頂起、靜態(tài)載荷、空載運行、發(fā)10MW、發(fā)20MW、發(fā)30MW、發(fā)40MW以及發(fā)42MW。

測試結(jié)果與分析

根據(jù)測試點1-5數(shù)據(jù)可知，測試點1-4的應力變化趨勢基本相似，且均表現(xiàn)為壓縮應力，反映了上機架支腿肋板被擠壓的承力現(xiàn)象。同時在所有工況下測試點1應力均為*大值，達到64.592MPa。可以確定整個上機架應力*大處出現(xiàn)在四個支腿的肋板拐點，與資料中提到的上機架應力集中位置相似。因此，該點要求材料剛強度*大，也是最容易發(fā)生形變甚至出現(xiàn)裂紋。

測試點5表現(xiàn)為拉伸應力，反映了上機架上圓盤主要承受軸向向下的拉力。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，該點的*大應力為12.817MPa，小于其他測試點應力，因此上機架上圓盤不是主要應力承受位置，在剛強度分析中也相對安全。

當機組由靜止到空載工況時，應力沒有明顯增加。結(jié)果表明機組在不帶負荷條件下，機組轉(zhuǎn)動對上機架應力影響較??；當機組從空載工況到負荷工況時，應力顯著提升，其原因可能是機組帶負荷時，軸向水推力對上機架所承受應力影響很大。

結(jié)論

在擬定的典型工況下，上機架各測試點應力變化具有小負荷變化梯度較大，大負荷區(qū)變化平緩的特性；應力集中發(fā)生在上機架支腿肋板拐點，*大應力達到64.592MPa，安全系數(shù)為3.6，符合脆性材料的強度要求；為進一步校核疲勞強度奠定了基礎(chǔ)。