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100MW空冷汽輪發(fā)電機(jī)是目前國(guó)內(nèi)自行研制的最大容量的空冷發(fā)電機(jī)。護(hù)環(huán)是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，通過(guò)理論研究和有限元分析，確定護(hù)環(huán)與本體、護(hù)環(huán)與中心環(huán)的最佳配合公盈，并對(duì)護(hù)環(huán)的強(qiáng)度特性進(jìn)行分析具有重要意義。既保證100空冷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安全、穩(wěn)定運(yùn)行，也為開(kāi)發(fā)135MW，200大型空冷機(jī)組轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。護(hù)環(huán)的受力狀態(tài)極其復(fù)雜。超速時(shí)，護(hù)環(huán)將承受巨大的離心力作用，與本體和中心環(huán)產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，為保證護(hù)環(huán)與本體、中心環(huán)保持接觸必須選取較大的配合公盈；靜止時(shí)，護(hù)環(huán)則要承受由于較大的配合公盈產(chǎn)生的配合力；正常工作狀態(tài)，護(hù)環(huán)將受到離心力、熱應(yīng)力及剩余配合力的作用；在起停機(jī)過(guò)程中，需要考慮轉(zhuǎn)子齒受到的交變力的作用。因此，護(hù)環(huán)的分析必須兼顧4種不同的工況。另外，由于護(hù)環(huán)的材料與本體、中心環(huán)的材料性能不一致，在各個(gè)工況下三者的變形存在差異，為保證在每個(gè)工況時(shí)，護(hù)環(huán)與本體、中心環(huán)保持接觸，應(yīng)力分布又達(dá)到最優(yōu)工況，確定最佳配合公盈是問(wèn)題的又一個(gè)關(guān)鍵。傳統(tǒng)的計(jì)算方法是將護(hù)環(huán)簡(jiǎn)化成薄壁或厚壁圓筒，計(jì)算其平均變形、平均應(yīng)力及配合面的總壓力。因此無(wú)法知道護(hù)環(huán)的最大應(yīng)力和應(yīng)力分布規(guī)律，設(shè)計(jì)是比較保守的。用有限元方法分析護(hù)環(huán)的應(yīng)力和變形，克服了傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況。本研究將GAP元用于接觸問(wèn)題是一次成功的嘗試，從應(yīng)力分布來(lái)看，結(jié)果非常理想，計(jì)算精度大大提高，在護(hù)環(huán)的優(yōu)化計(jì)算中值得推廣應(yīng)用。
本研究采用有限元方法，應(yīng)用世界先進(jìn)的I-DEAS有限元計(jì)算程序進(jìn)行分析。轉(zhuǎn)子是回轉(zhuǎn)體，所以我們采用軸對(duì)稱(chēng)單元建立計(jì)算模型。計(jì)算時(shí)取本體一部分，護(hù)環(huán)、中心環(huán)全部為研究對(duì)象建立有限元模型，護(hù)環(huán)與本體結(jié)合面單元?jiǎng)澐趾苊埽哉页稣鎸?shí)的最大應(yīng)力點(diǎn)和應(yīng)力分布情況，有限元模型如圖所示。護(hù)環(huán)與本體，護(hù)環(huán)與中心環(huán)為過(guò)盈配合，處理接觸問(wèn)題時(shí)我們?cè)?jīng)用過(guò)桿單元或梁?jiǎn)卧�，以及假設(shè)第三種材料等方法，但這些手段在反映護(hù)環(huán)的受力情況時(shí)都有一定的局限。本文在護(hù)環(huán)的分析中采用GAP單元來(lái)處理配合面接觸問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況，計(jì)算精度大大提高。
護(hù)環(huán)的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，根據(jù)其運(yùn)行工況需要考慮靜止時(shí)護(hù)環(huán)由于較大的配合公盈產(chǎn)生的配合力、超速時(shí)護(hù)環(huán)承受的較大離心力作用以及正常工作狀態(tài)，護(hù)環(huán)受到的離心力、熱應(yīng)力及剩余配合力的作用；在起停機(jī)過(guò)程中，需要考慮轉(zhuǎn)子齒受到的交變力的作用。因此，護(hù)環(huán)的分析必須兼顧4種不同的工況。計(jì)算時(shí)選取如下3種工況，通過(guò)配合公盈的優(yōu)選使護(hù)環(huán)在正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)子齒處于壓應(yīng)力狀態(tài)，從而提高轉(zhuǎn)子齒的疲勞壽命。計(jì)算工況：護(hù)環(huán)是通過(guò)熱套配合裝到轉(zhuǎn)子上的，相當(dāng)于一個(gè)圓筒緊緊地套在一個(gè)圓柱上。由于護(hù)環(huán)材料與本體、中心環(huán)材料性能不一致，護(hù)環(huán)受力情況又比較復(fù)雜，所以在不同工況下，護(hù)環(huán)、中心環(huán)和本體的變形都不相同。為了保證在各個(gè)工況下，護(hù)環(huán)與本體、中心環(huán)保持接觸，我們分別計(jì)算了3個(gè)工況下，護(hù)環(huán)與本體，護(hù)環(huán)與中心環(huán)配合面的變形，最后計(jì)算出配合公盈。
護(hù)環(huán)、中心環(huán)和轉(zhuǎn)子扼部均為各向同性材料。轉(zhuǎn)子齒部為不連續(xù)體，計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化成正交各向異性材料，利用等效剛度的辦法計(jì)算出三個(gè)主方向的彈性模量，并給出相應(yīng)的材料密度。材料的機(jī)械性能列于表，護(hù)環(huán)與本體、中心環(huán)配合面對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位移分別見(jiàn)表，根據(jù)表之表的變形由式計(jì)算出配合公盈值，并考慮護(hù)環(huán)熱套工藝要求，確定出護(hù)環(huán)與本體兩個(gè)配合面直徑最佳配合公盈，護(hù)環(huán)與中心環(huán)兩個(gè)配合面直徑最佳配合公盈。從護(hù)環(huán)的應(yīng)力分布情況可見(jiàn)，各個(gè)工況下的應(yīng)力分布十分合理，表明單元的劃分、邊界條件處理正確，護(hù)環(huán)配合公盈選取恰當(dāng)，計(jì)算結(jié)果可信。
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