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轴流式水轮机零部件的有限元分析及优化设计

发布于:2016-05-06 17:39
有限元分析

      支撑盖是水轮机的主要部件之一,安装在顶盖上支撑着控制环等,耗材甚多。在支撑盖的结构设计中,除考虑满足其导水等功能外,更重要的是在满足其强度和刚度的条件下节省材料。多年来,我国生产的水轮机支撑盖一直沿袭20世纪50年代前苏联的设计理论进行设计,90年代后在大型水轮机支撑盖的结构分析及优化设计方面进行了一些探索,但对中、小型水轮机支撑盖的研究较少。本研究以某发电设备总厂生产的采用传统刚性环算法设计的某型水轮机支撑盖为例,传统刚性环算法的主要缺点是:对辐向筋板和斜筋板的形式、个数和厚度的影响未加考虑,不能处理支撑盖各部分结构厚度和形式的合理搭配。为解决这一问题,对该水轮机支撑盖在正常工况和紧急停机工况下进行了有限元分析和灵敏度分析,为改善支撑盖轴向位移太大和应力分布不均匀状况,对支撑盖进行了优化设计
      某型水轮机支撑盖结构见图,从外形看整个支撑盖呈环形箱体,是一个具有轴对称的结构。该支撑盖的主要结构尺寸为:上筒体厚t1=30mm,上法兰厚t2=40mm,辐向筋板厚t3=25mm,斜筋板厚t4=30mm,轴承基础环厚t5=40mm,下法兰厚t6=30mm,下筒体厚t7=25mm。
      为便于对支撑盖进行结构分析和优化设计,作如下简化假设:视顶盖为刚体,不考虑焊缝质量问题,不计各螺栓联接处的局部应力。根据支撑盖结构和作用在其上载荷的轴对称特点,切取包括一条辐向筋板和斜筋板在内的扇形体结构(整个结构的1/12)作为分析模型。
      a.网格划分。上法兰、下法兰和轴承基础环选用线性四边形板单元,上筒体、下筒体和斜筋板选用线性四边形壳单元,辐向筋板选用线形三角形平面应力单元。
      b.边界条件。上法兰和顶盖联接处简化为固定支承,即径向、纵向和切向位移为0及绕径向、纵向和切向的转角为0°,所切取扇形体的两个切断面的切向位移为0及绕纵向和径向的转角为0°。
      c.载荷条件。按正常工况和紧急停机工况分别处理,两工况的最大应力见表,应力为按第四强度理论计算的相当应力。下法兰2546mm处的轴向位移在正常工况为0.66mm,在紧急停机工况为-0.45mm,其位移的正值表示沿轴向向上。工厂的设计规范是:支撑盖的许用应力[σ]=120MPa,下法兰2546mm处的轴向位移下限为-0.4mm。
      由此可知:大应力区在辐向筋板的圆孔处、上法兰同顶盖的联接处和下法兰的内圆处,正常工况和紧急机工况各部分的应力都远小于许用值,而在紧急停机工况,下法兰2546mm处的轴向位移超过许用值,因此紧急停机工况为危险工况。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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