Оценка вибрационного состояния и определение напряженно-деформированного состояния сороудерживающих решеток гидроэлектростанций

Введение. Представлен подход по выявлению причины повреждения отдельных ключевых элементов металлоконструкций сороудерживающей решетки (СУР) гидроэлектростанции при техногенных динамических воздействиях. Выполнены прочностные и гидравлические расчеты, а также модальный анализ конструкции. Определен подход
и проведены инструментальные измерения фактических динамических характеристик СУР при различных напорах.

Материалы и методы. Для выполнения замеров динамических техногенных воздействий разработана методика, состоящая из двух блоков. Первый блок — инструментальное и визуальное обследование для определения соответствия конструкций проектным решениям, а также выявления характерных дефектов СУР. Измерение собственных частот колебаний и виброускорений конструкций при различных напорах выполнялось при помощи пьезоэлектрических вибропреобразователей АР90, измерение виброускорений — сейсмоприемниками А16 и приемной станцией MIC-200. Второй блок — математическое моделирование. Проводилось уточнение гидравлического режима, напряженно-деформированного состояния и определялись частоты и формы собственных колебаний конструкции. Расчетные исследования осуществлены в универсальном промышленном программном комплексе ANSYS Mechanical и ANSYS CFX.

Результаты. Обследование выявило наличие систематически возникающих трещин в несущем каркасе, несоответствие положения раскосов проекту. Уточнены гидродинамические нагрузки, определен диаметр и частота образования вихрей. При расчетах напряжения в металлических раскосах не превосходят нормативных величин для используемой стали. Выполненное прямое измерение вибрации элементов конструкции продемонстрировало, что наиболее опасный частотный диапазон — это 40,30–41,75 Гц.

Выводы. Установлено, что основной причиной повреждения конструкции СУР является смещение вынужденных частот и формы собственных колебаний в зону работы гидроагрегатов, что и приводило к концентрации напряжений на концах раскосов в зоне примыкания к фасонкам. Стыковка раскосов к фасонке имела недостаточную длину, что приводило к передаче напряжений на край фасонки, и, как следствие, к концентрации напряжений и образованию трещин по направлению главных напряжений в узле.

1. Селезнев В.Н. Прогнозирование энергетических характеристик обратимой гидромашины на напор до 250 м // Известия МГТУ МАМИ. 2022. Т. 16. № 1. С. 13–19. DOI: 10.17816/2074-0530-104580. EDN TAWRPF.

2. Жарковский А.А., Щур В.А., Мохаммад О. Прогнозирование энергетических и кавитационных характеристик быстроходных радиально-осевых гидротурбин // Известия МГТУ МАМИ. 2022. Т. 16. № 3. С. 225–324. DOI: 10.17816/2074-0530-105208. EDN VJRJGU.

3. Антонов А.С., Караблин Н.П., Минаков В.А., Карпинский А.В. Разработка и обоснование универсальной конструкции для энергетических испытаний в проточных трактах гидроэлектростанций // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. № 7. С. 933–943. DOI: 10.22227/1997-0935.2022.7.933-943. EDN FSMPFY.

4. Schiffer J., Benigni H., Jaberg H., Ehrengruber M. Reliable prediction of pressure pulsation in the draft tube of a Francis turbine at medium and deep part load: A validation of CFD-results with experimental data // Proceedings of Hydro 2018. Progress through Partnerships. 2018.

5. Yang L.F., Zhang S.R., Liu W.N., Yang Y., Zhang Y.J. Application ANSYS CFX in modeling turbine Blade // Materials Science Forum. 2009. Vol. 626–627. Pp. 593–598. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.626-627.593

6. Mohammed O., Aziz Y. CFD Modeling of simultaneous flow over broad crested weir and through pipe culvert using different turbulence models // Zanco Journal of Pure and Applied Sciences. 2018. Vol. 30. Issue 5. DOI: 10.21271/ZJPAS.30.5.11

7. Twayna R., Manandhar R., Singh B., Dahal D., Kayastha A., Thapa B.S. Numerical investigation of cavitation in Francis turbine // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1037. Issue 1. P. 012017. DOI: 10.1088/1755-1315/1037/1/012017

8. Мураева М.А., Гумеров А.В., Каримов Т.Р. Верификация методики газодинамического расчета осевой турбины в программном комплексе Ansys CFX на базе экспериментальных исследований плоских решеток // Вызовы современности и стратегии развития общества в условиях новой реальности : сб. мат. X Междунар. науч.-практ. конф. 2022. С. 132–137. DOI: 10.34755/IROK.2022.32.24.045. EDN PNMEFL.

9. Ahmed S., Aziz Y., Aziz Y. Numerical modeling of flow in side channel spillway using ANSYS-CFX // Zanco Journal of Pure and Applied Sciences. 2018. Vol. 30. Issue s1. DOI: 10.21271/ZJPAS.30.s1.10

10. Mohammed O.K., Aziz Y.W. CFD modeling of simultaneous flow over broad crested weir and through pipe culvert using different turbulence models // Zanco Journal of Pure and Applied Sciences. 2018. Vol. 30. Issue 5. DOI: 10.21271/ZJPAS.30.5.11

11. Majeed H.Q., Ghazal A.M. CFD simulation of velocity distribution in a river with a bend cross section and a cubic bed roughness shape // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 928. P. 022038. DOI: 10.1088/1757-899X/928/2/022038

12. Kadia S., Kumar B., Pummer E., Ruther N., Ahmad Z. Experimental and CFD simulation studies on the flow approaching a type-a piano key weir // EGU General Assembly. 2021. DOI: 10.5194/egusphere-egu21-10030

13. Saleh S.M., Husain S.M. Numerical study to evaluate the performance of nonuniform stepped spillway using ANSYS-CFX // Polytechnic Journal. 2020. Vol. 10. Issue 2. Pp. 1–9. DOI: 10.25156/ptj.v10n2y2020.pp1-9

14. Власов В.А., Клопотов А.А., Пляскин А.С., Буньков В.Е., Устинов А.М. Оценка напряженно-деформированного состояния вертикального резервуара, усиленного углекомпозитным бандажом, на основе численных исследований в ПК ANSYS // Современные строительные материалы и технологии : сб. науч. ст. III Междунар. конф. 2020. С. 111–120. EDN FQWIJC.

15. Фабричная К.А., Фаррахова Ч.Ф. Исследование напряженно-деформированного состояния узла сталежелезобетонного каркаса здания в ПК ANSYS // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2019. № 4 (11). С. 25–35. EDN MMZSRF.

16. Фабричная К.А., Саубанова А.М. Исследование напряженно-деформированного состояния элементов опорного узла консоли в ПК ANSYS // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2019. № 3 (10). С. 24–33. EDN MCSCSA.

17. Трастьян Н.А., Линьков Н.В. Разработка рамных узлов стальных конструкций с учетом пластических деформаций // Инженерный вестник Дона. 2019. № 1.

18. Галиева А.Б., Галиев Г.Н. Моделирование конструкций многоярусной однопролетной рамы в ПК ANSYS с учетом регулирования усилий в узлах сопряжения ригелей с колоннами // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2015. № 2. С. 90–92. EDN UCTJTZ.

19. Грибанов Я.И., Калугин А.В., Балакирев А.А. Расчетный комплекс для прочностного анализа несущих конструкций покрытия спортивного сооружения // Вестник МГСУ. 2012. № 8. С. 85–90.

20. Голоднов А.И., Иванов А.П., Псюк В.В. Моделирование напряженно-деформированного состояния стальных конструкций по результатам выполненного обследования // Металлические конструкции. 2011. Т. 17. № 3. С. 167–175. EDN OBVAOT.

21. Кравченко Г.М., Костенко Д.С. Моделирование узлового соединения элементов облегченных стальных конструкций // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2019. № 4 (204). С. 51–56. DOI: 10.17213/0321-2653-2019-4-51-56. EDN WYAHRR.