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混流式水輪發(fā)電機頂蓋螺栓的安全性設計方法

文檔作者：張續(xù)鐘，劉思靚，馬建峰文檔來源：浙江富春江水電設備有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2023年10月05日
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收稿日期：2017 － 07 － 11
作者簡介 ：張續(xù)鐘 （1979 － ） ，男 ，工程師 ，主要從事水輪 發(fā)電機組的設計工作。
E mail ： gzhz888＠ 126.com
混流式水輪發(fā)電機頂蓋螺栓的安全性設計方法
張續(xù)鐘，劉思靚，馬建峰
（浙江富春江水電設備有限公司，浙江杭州310013）
摘 要： 頂蓋是混流式水輪機的關鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)及功能的完整性直接影響機組的安全運行； 而對于保證頂蓋的
安全，其把合螺栓的設計至關重要。工程上普遍使用的簡化設計方法是直接將工作載荷分配在把合螺栓上， 再根據(jù)螺栓所
分配的載荷乘以安全系數(shù)得到預緊力。然而隨著水輪發(fā)電機組的容量和結(jié)構(gòu)尺寸遠超從前， 需要改進簡化的頂蓋螺栓設計
方法。參考VDI2230 基準， 對螺栓進行安全性設計： 根據(jù)夾緊要求初選螺栓規(guī)格， 然后根據(jù)把合條件查找相應的螺栓預緊
力； 再根據(jù)實際情況，確定各自承擔的預緊載荷和工作載荷； 最后對螺栓的載荷、夾緊體表面的應力以及擰入長度等進行
校核。圖6 幅，表1 個。
關鍵詞： 水輪機頂蓋； 螺栓；預緊力； 擰緊系數(shù)； 載荷系數(shù)； 載荷引入因子； 裝配應力； 表面壓力
1 概 述
頂蓋螺栓主要用于將頂蓋與座環(huán)把合， 使頂蓋
能夠完成裝載活動導葉和水封形成流道的功能， 是
水輪發(fā)電機機組關鍵螺栓之一。合理安全的對水輪
機頂蓋螺栓進行設計， 是保證機組運行安全的重要
手段。
如果該處螺栓發(fā)生松動、失效甚至斷裂等故
障， 會引起重大事故， 如部件損壞， 全廠停電， 甚
至人員傷亡。俄羅斯Sayano Sushenskaya 項目混流機
組就曾發(fā)生過頂蓋螺栓斷裂事故（見圖1） ， 我國
回龍抽水蓄能電站1 號機組也曾因頂蓋把合螺栓脆
斷， 頂蓋抬起， 水淹廠房。近年來， 隨著水電資源
的進一步開發(fā)， 機組的設計容量和尺寸已經(jīng)遠遠超
過以往， 螺栓受力情況也愈加惡劣， 簡單的螺栓設
計方法已無法適用， 急需改進優(yōu)化。
VDI2230 這個基準在實踐中應用已經(jīng)近40 a ，
獲得了廣泛的認可。到現(xiàn)在為止， 無論在德語地區(qū)
或者非德語地區(qū)， 這個基準已經(jīng)視為解決螺栓連接
計算的標準方法。
圖1 頂蓋螺栓事故現(xiàn)場
2 現(xiàn)行簡化計算方法
2.1 現(xiàn)行計算方法簡介
頂蓋螺栓設計， 現(xiàn)行簡易做法是：
· 計算軸向荷載和水壓產(chǎn)生的力。
· 通過力系平衡計算頂蓋法蘭螺栓支反力。
· 確定螺栓數(shù)量， 假設螺栓型號。
· 用支反力和螺栓小徑計算螺栓截面應力。
· 根據(jù)螺栓應力大小， 更換螺栓型號； 并按2
倍確定預緊力。
具體計算步驟如下所示（見圖2） ：
計算頂蓋各荷重作用力： Fh ＝ Σi
Gi
式中， Gi 為各種荷載重量。
再計算水壓產(chǎn)生的作用力， 分別為：
· 25 ·
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