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100MW空冷汽轮发电机护环的有限元分析

发布于:2018-08-17 20:36
有限元分析

      100MW空冷汽轮发电机是目前国内自行研制的最大容量的空冷发电机。护环是发电机转子的关键部件,通过理论研究和有限元分析,确定护环与本体、护环与中心环的最佳配合公盈,并对护环的强度特性进行分析具有重要意义。既保证100空冷发电机转子安全、稳定运行,也为开发135MW,200大型空冷机组转子护环的优化设计提供依据。护环的受力状态极其复杂。超速时,护环将承受巨大的离心力作用,与本体和中心环产生较大的相对位移,为保证护环与本体、中心环保持接触必须选取较大的配合公盈;静止时,护环则要承受由于较大的配合公盈产生的配合力;正常工作状态,护环将受到离心力、热应力及剩余配合力的作用;在起停机过程中,需要考虑转子齿受到的交变力的作用。因此,护环的分析必须兼顾4种不同的工况。另外,由于护环的材料与本体、中心环的材料性能不一致,在各个工况下三者的变形存在差异,为保证在每个工况时,护环与本体、中心环保持接触,应力分布又达到最优工况,确定最佳配合公盈是问题的又一个关键。传统的计算方法是将护环简化成薄壁或厚壁圆筒,计算其平均变形、平均应力及配合面的总压力。因此无法知道护环的最大应力和应力分布规律,设计是比较保守的。用有限元方法分析护环的应力和变形,克服了传统方法的缺点,计算结果更符合实际情况。本研究将GAP元用于接触问题是一次成功的尝试,从应力分布来看,结果非常理想,计算精度大大提高,在护环的优化计算中值得推广应用。
      本研究采用有限元方法,应用世界先进的I-DEAS有限元计算程序进行分析。转子是回转体,所以大家采用轴对称单元建立计算模型。计算时取本体一部分,护环、中心环全部为研究对象建立有限元模型,护环与本体结合面单元划分很密,以找出真实的最大应力点和应力分布情况,有限元模型如图所示。护环与本体,护环与中心环为过盈配合,处理接触问题时大家曾经用过杆单元或梁单元,以及假设第三种材料等方法,但这些手段在反映护环的受力情况时都有一定的局限。本文在护环的分析中采用GAP单元来处理配合面接触问题,计算结果更符合实际情况,计算精度大大提高。
      护环的受力状态比较复杂,根据其运行工况需要考虑静止时护环由于较大的配合公盈产生的配合力、超速时护环承受的较大离心力作用以及正常工作状态,护环受到的离心力、热应力及剩余配合力的作用;在起停机过程中,需要考虑转子齿受到的交变力的作用。因此,护环的分析必须兼顾4种不同的工况。计算时选取如下3种工况,通过配合公盈的优选使护环在正常工作状态转子齿处于压应力状态,从而提高转子齿的疲劳寿命。计算工况:护环是通过热套配合装到转子上的,相当于一个圆筒紧紧地套在一个圆柱上。由于护环材料与本体、中心环材料性能不一致,护环受力情况又比较复杂,所以在不同工况下,护环、中心环和本体的变形都不相同。为了保证在各个工况下,护环与本体、中心环保持接触,大家分别计算了3个工况下,护环与本体,护环与中心环配合面的变形,最后计算出配合公盈。
      护环、中心环和转子扼部均为各向同性材料。转子齿部为不连续体,计算时简化成正交各向异性材料,利用等效刚度的办法计算出三个主方向的弹性模量,并给出相应的材料密度。材料的机械性能列于表,护环与本体、中心环配合面对应节点的位移分别见表,根据表之表的变形由式计算出配合公盈值,并考虑护环热套工艺要求,确定出护环与本体两个配合面直径最佳配合公盈,护环与中心环两个配合面直径最佳配合公盈。从护环的应力分布情况可见,各个工况下的应力分布十分合理,表明单元的划分、边界条件处理正确,护环配合公盈选取恰当,计算结果可信。


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