IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN PERUSTUSTEN KORJAUS

Full text

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUOTISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 1 of (14)
IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN PERUSTUSTEN
KORJAUS
Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki, Fortum Power and Heat Oy
JOHDANTO
Imatran voimalaitoksen koneisto nro 7 otettiin käyttöön vuonna 1951. Turpiinin teho oli 30 MW ja
generaattorin 34 MW. Vuonna 2006 koneiston uusittuja turpiini teho on noussut 38 MW ja
generaattorin 40 MW (IMA 7 loppuraportti, 31.1.2007). Vuonna 2017 havaittiin tarve vahvistaa
generaattorin ankkuripulttien ympärillä olevia betonirakenteita uusitun generaattorin tehoa
vastaaville rasituksille.
KUVAUS KÄYTETYSTÄ KONEASEMAN JA TURBIINI-GENERAATTORIN
RAKENNEMALLISTA JA FEM-MALLINUKSEEN KÄYTETYT PIIRUSTUKSET
Kone aseman FEM –mallinnusta varten saatiin toimeksiantajalta kuvasarja, jonka perusteella
koneaseman geometrinen mallinnus tahtiin Microstation – mallinnusohjelmalla [1]. Esimerrkkinä
mallinnukseen käytetyista kuvista esitetään kuvassa 1 koneaseman pystyleikkaus.
Kuva 1. Koneaseman pystyleikkaus
KONEASEMAN GEOMETRINEN MALLINNUS MICROSTATION OHJELMALLA [1]
Seuraavassa kuvassa 2 on esitetty Microstation V8i (Select Series 3, Version 08.11.09.357 [1]
ohjelmalla laadittu koneaseman geometriamalli.

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO2TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 2 of (14)
Kuva 2. Koneaseman Microstaion geometriamalli [1]
KONEASEMAN TERÄSBETONIRAKENTEIDEN JA TURBIINI – GENERAATTORIN FEM –
MALLINNUS [2], [3] ja[4]
Kuvissa 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ja 10 on esitetty koneaseman laitteiden ja rakenteiden elementtimallin osat
seuraavasti: turbiinin juoksupyörän alaohjauslaakeri, staattori, roottori, generaattorin tukiristikko,
koneaseman ulommat betonirakenteet vasen puolisko, koneaseman sisemmät betonirakenteet vasen
puolisko, koneaseman ulommat betonirakenteet oikea puolisko, koneaseman sisemmät
betonirakenteet oikea puolisko.

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO3TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 3 of (14)
Kuva 3. Turbiinin alaohjauslaakeri

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO4TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 4 of (14)
Kuva 4. Generaattorin staattori
Kuva 5. Turbiinin juoksupyörä ja generaattorin roottori

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO5TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 5 of (14)
Kuva 6 Generaattorin alatukiristikko

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO6TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 6 of (14)
Kuva 7. Koneaseman ulommat betonirakenteet, vasen puolisko
Kuva 8. Koneaseman sisemmät betonirakenteet, vasen puolisko

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO7TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 7 of (14)
Kuva 9. Koneaseman ulommat betonirakenteet, oikea puolisko
Kuva 10. Koneaseman sisemmät betonirakenteet, oikea puolisko
Kuvassa 11 on esitetty koko elementtimalli.

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO8TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 8 of (14)
Kuva 11. Elementtimalli kokonaisuudessaan
Malli tärkeimmät tiedot ovat seuraavat: Nurkkien lukumäärä on 405 078, elementtien lukumäärä on
240347, vapausasteiden lukumäärä on 2409216
GENERAATTORIN PERUSTUKSEN RENGASVAHVISTUSSYLNTERIN
TARTUNTATERÄSTEN LEIKKAUSVOIMAT
Sweco Rakennetekniikka Oy on tehnyt vahvistussuunnitelman IMA7 koneaseman
teräsbetonirakenteita varten korotetulle generaattorin teholle 40MW,[5]. Vahvistussuunnitelman
rengasvahvistuksen mittapiirustuksen tasokuva ja leikkaus on esitetty, Kuvissa 12 ja13 ja
vahvistussuunnitelman rengasvahvistuksen tartuntojen mittapiirustuksen tasokuva ja leikkaus on
esitetty Kuvissa 14 ja 15

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO9TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 9 of (14)
Kuva 12. Staattorin perustuksen rengasvahvistus mittapiirusus. Tasokuva +53.50.

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO10TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 10 of (14)
Kuva 13. Staattorin perustuksen rengasvahvistus mittapiirustus. Leikkaus A – A
Kuva 14. Staattorin perustuksen rengasvahvistus. Tartunnat. Tasokuva.

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO11TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 11 of (14)
Kuva 15. Staattorin perustuksen rengasvahvistus. Tartunnat. Leikkaus A - A.
Tartuntojen kokonaislukumäärä laskettuna leikkauksista A – A, B – B, C – C, D – D ja E – E on
esitetty taulukossa 1:
Tartuntojen
kokonaislukumää
rä laskettuna
leikkauksista A-A,
B-B, C-C, D-D ja
E-E.
Leikkaus KPL
A-A 100
B-B 90
C-C 77
D-D 64
E-E 87
Yhteensä 418

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO12TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 12 of (14)
Taulukko 1. Staattorin perustuksen rengasvahvistus. Tartunnat. Kokonaislukumäärä.
Timo Kirkkomäki suoritti SWECO Rakennetekniikka Oy:n piirustusten [5] perusteella koneaseman
betonirakenteiden tarkemman 3D mallinnuksen Microstation – ohjelmalla [1] muodostamalla
generaattorin perustuksen vahvistusrakenteen rengassylinteristä erillisen solidin laitosmalliin.
Generaattorin perustuksen vahvistuksen rengassylinterillä tarkennettu IMA7 3D laitosmalli on
esitetty Kuvassa 16:
Kuva 16. Rengassylinterillä tarkennettu IMA7 3D laitosmalli Microstation – ohjelmalla
laadittuna [1].
RENGASVAHVISTUKSEN ELEMENNTTIMALLINNUS JA RENGASVAHVISTUKSEN
TARTUNTOJEN LEIKKAUSKAPASITEETIN TARKISTUS
Rengasvahvistuksesta laadittiin MSC/ PATRAN - ohjelmalla [3] tarkennettu laskentamalli.
Laskentamallin elementtianalyysi suoritettiin MSC/NASTRAN [4] . ohjelmalla. Laskentamallin
kymmensolmuisten tetraelementtien keskimääräinen sivumitta oli 100 mm. Mallissa oli 1 370 0000
nurkkaa, 890 000 10 – solmuista tetraelementtiä ja 8200 000 vapausastetta. Yhden staattisen
kuormitustapauksen suoritus kuudellatoista INTEL XEON kolmen gigahertsin ytimellä varustetulla
LENOVO tehotyöasemalla, jonka RAM – muistin koko oli 32 GB, kesti noin yhden tunnin.
Suurimman suorituksen aikana generoidun tiedoston koko oli 50 GB. Elementtimallin puolikkaan
elementtiverkko on esitetty Kuvassa 17:

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO13TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 13 of (14)
Kuva 17. Generaattorin perustuksen vahvistuksen rengassylinterillä tarkennetun mallin
elementtiverkon puolikas
MATERIAALIPARAMETRIT
Betonimateriaalille käytettiin seuraavia materiaaliparametrejä: 1) Kimmokerroin E= 30 000
megapascalia; 2) Poissonin vakio = 0.2; 3) Tiheys = 0.0025 gigagrammaa kuutiometriä kohti; 4)
Lämpölaajenemiskerroin = 0.00001 Celsius astetta kohti. Teräsmateriaalille käytettiin seuraavia
materiaaliparametrejä: 1) Kimmokerroin E= 200 000 megapascalia; 2) Poissonin vakio = 0.3; 3)
Tiheys = 0.00785 gigagrammaa kuutiometriä kohti; 4) Lämpölaajenemiskerroin = 0.00001 Celsius
astetta kohti. Analyyseissa käytetyt yksiköt olivat: metri, megapascal, gigagramma, Celsius aste.
KÄYTETYT REUNAEHDOT
Koneaseman malli kiinnitettiin siirtymien ja kiertymien suhteen kokoa kalliota vastaan olevalta
alapinnaltaan.
KÄYTETYT KUORMAT [6]
Elementtianalyysissä on käytetty seuraavia kuormia:
Voimat generaattorin staattorin peruslaatoille: Staattorille perustalaatoille tulee voima generaattorin
roottorin aksiaalisuunnassa Fz ja generaattorin roottorin tangentin suunnassa Ft sekä
radiaalisuunnassa Fr. Radiaalikuormitus perustalaatoille on pahimmassa tilanteessa noin 700 kN
yhtä peruslaattaa kohti 30 asteen lämpötilaeroa asennuksen aikaiseen lämpötilaan 20 astetta

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO14TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 14 of (14)
verrattuna. Mikäli staattorin liukupeti toimii suunnitellusti niin kuormituksen on arvioitu olevan
noin 360 kN yhtä perustalaattaa kohti nykyisellä staattorikonstruktiolla, Kuormitus syntyy
kitkavoimavoimasta. Kokonaiskuormitus generaattorin roottorin aksiaalisuunnassa Fz on noin 900
tonnia muodostuen koneiston painosta 505 tonnia ja 395 tonnia vesikuorman paino turbiinin siipien
yläpinnoille. Laitoksen monitorointisysteemin mittareiden mukaan vesikuorman painossa on noin
5% vaihteleva komponentti. Vaihtelun jakson pituus on noin 1 sekunti. Kuormitus jakautuu 8
perustalaatalle. Tangentin suunnan vääntömomentti koneiston nimelliskuormituksella on 2,58
MNm. Vääntömomentti aiheuttaa kuormaa staattorin perustalaatoille. Koneiston
nimelliskuormituksella vääntömomentissa on noin 5% vaihteleva komponentti. Vaihtelun jakson
pituus on noin 1 sekunti. Nimelliskuormituksen vääntömomenttia vastaava tangentiaalinen voima
yhtä perustalaattaa kohti on 83,8 kN. Suurin hetkellinen vääntömomentti syntyy oikosulkutilanteen
väärässä tahdistuksessa ja on noin 10 kertainen nimelliseen vääntömomenttiin ja voimaa verrattuna.
Mikäli suojaus toimii oikein tämä oikosulkutilanne on päällä vain kymmenesosa sekunteja.
Staattorin perustalaatat ovat säteellä 3,845 m. Voimat generaattorin alaristikon peruslaatoille ovat
seuraavat: Generaattorin roottorin aksiaalikuormitus: Alatukiristikon paino noin 25 kN yhtä
perustalaattaa kohti. Generaattorin alatukiristikko on tuettu kuuteen perustalaattaa. Generaattorin
nostotilanteessa jarrutunkeilla kuormitus on noin 525 kN yhtä perustalaattaa kohti. Generaattorin
roottorin tangentiaalinen kuormitus: Generaattorin roottorin jarrutuksen aiheuttama voima on 25
kN yhtä perustalaattaa kohti.
RENGASSYLINTERIN TARTUNTOJEN LEIKKAUSKAPASITEETTI SALLITTUJEN
JÄNNITYSTEN MENETELNÄLLÄ MÄÄRITETTYNÄ
Seuraavassa Taulukossa 2 on esitetty yhteenveto rengassylinterin tartuntojen leikkaus kapasiteetista
verrattuna vahvistussylinterin takapinnalla elementtianalyysin tuloksena saatuun
kokonaisleikkausvoimaan:
The surface area
of the back face
of the
reinforcing
cylinder
Radius R
(m)
Height
(H) (m) Perimeter P (m)
Surface area
(m*m)
Average max
shear in the
back face of
the cylinder
(MN/m/m)
Total shear in
operation
torque
condition (MN)
Total shear
in short
circuit
torque
condition
(MN)
4.6 2.4 28.90265
69.3663
7
0.01062
9 0.737301 7.37301
Number of
anchor bolts
Bolt radius
(m)
Bolt
cross-
section
area
(m*m)
Total cross-
section area of
all bolts (m*m)
Allowable
shear stress
(MN/m/m)
Total anchor
bolt shear
capacity (MN)
418 0.01
0.000
3 0.131319
192.450
1
25.27227
1
Taulukko 2. Yhteenveto rengassylinterin tartuntojen leikkaus kapasiteetista (sininen fontti
taulukossa 2) verrattuna vahvistussylinterin takapinnalla elementtianalyysin tuloksena saatuun
kokonaisleikkausvoimaan oikosulkutilanteessa (punainen fontti taulukossa 2)
Kokonaisleikkausvoima rengassylinterin takapinnalla laskettiin kertomalla keskimääräinen maksimi
leikkausvoiman arvo kaikkien takapinnan elementtien yli laskettuna takapinnan kokonaispinta-

RAKENTEIDEN MEKANIIKKA - 50 VUO15TISJUHLASEMINAARI
Journal of Structural Mechanics 50 years anniversary seminar
24-25.8.2017, IMATRAN VESIVOIMALAITOS, KONEISTO NRO 7, GENERAATTORIN
PERUSTUSTEN KORJAUS, Pentti Varpasuo, PVA Engineering Services, Timo Kirkkomäki,
Fortum Power and Heat Oy, page 15 of (14)
alalla. Keskimääräinen maksimi leikkausvoima laskettiin määräämällä keskiarvo rengassylinterin
taustapinnan 14705 kymmensolmuisen tetraelementin maksimi leikkausvoimista. Tulokseksi saatiin
0.010629 MN/m/m. Tämä arvo pitää hyvin yhtä Kuvasta 18 havaittavasta rengassylinterin
taustapinnan keskimääräisestä maksimileikkausjännityksestä käyttötilanteen vääntömomentille.
Kuva 18. Maksimileikkausvoiman jakauma rengassylinterin taustapinnan puolikkaan alueella.
JOHTOPÄÄTÖKSET
Kuvasta 18 ja Taulukosta 2 havaitaan, että rengassylinterin tartuntojen leikkauskapasiteetti on noin
kolminkertainen oikosulkutilanteessa vaikuttavan generaattorin staattorin aikaansaamaan
kokonaisleikkausvoimaan rengassylinterin taustapinnalla.
VIITTEET
[1] Microstation V8i (Select Series 3, User’s Manual, Bentley Systems, 2012.
[2] ABAQUS/STANDARD version 6.12, “User’s Manual” , Simulia Corp., 2013.
[3] MSC/PATRAN,”Quick Reference Guide”, McNeal-Schwendler Corp., Anaheim, 2013.
[4] MSC/NASTRAN,”Quick Reference Guide”, McNeal-Schwendler Corp., Anaheim, 2013
[5] SWECO RAKENNETEKNIIKKA OY, IMATRAN VOIMALAITOS, VII – KONEISTON
PERUSTUSTEN KORJAUS, URAKKALASKENTA-ASIAKIRJAT, ASIAKIRJA NO R0001,
TYÖNUMERO 22703444, PIRJO KIVINIEMI, 5.4.2017, (sisäinen raportti).
[6] Jouni Ahtiainen , Muistio, 3.2.2017, ”Imatra 7, Generaattorin staattorin ja alaristikon voimat
perustalaatoille”, (sisäinen raportti).