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支持蓋是水輪機(jī)的主要部件之一，安裝在頂蓋上支撐著控制環(huán)等，耗材甚多。在支持蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除考慮滿足其導(dǎo)水等功能外，更重要的是在滿足其強(qiáng)度和剛度的條件下節(jié)省材料。多年來(lái)，我國(guó)生產(chǎn)的水輪機(jī)支持蓋一直沿襲20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)的設(shè)計(jì)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，90年代后在大型水輪機(jī)支持蓋的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了一些探索，但對(duì)中、小型水輪機(jī)支持蓋的研究較少。本研究以某發(fā)電設(shè)備總廠生產(chǎn)的采用傳統(tǒng)剛性環(huán)算法設(shè)計(jì)的某型水輪機(jī)支持蓋為例，傳統(tǒng)剛性環(huán)算法的主要缺點(diǎn)是：對(duì)輻向筋板和斜筋板的形式、個(gè)數(shù)和厚度的影響未加考慮，不能處理支持蓋各部分結(jié)構(gòu)厚度和形式的合理搭配。為解決這一問(wèn)題，對(duì)該水輪機(jī)支持蓋在正常工況和緊急停機(jī)工況下進(jìn)行了有限元分析和靈敏度分析，為改善支持蓋軸向位移太大和應(yīng)力分布不均勻狀況，對(duì)支持蓋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
某型水輪機(jī)支持蓋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖，從外形看整個(gè)支持蓋呈環(huán)形箱體，是一個(gè)具有軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。該支持蓋的主要結(jié)構(gòu)尺寸為：上筒體厚t1=30mm，上法蘭厚t2=40mm，輻向筋板厚t3=25mm，斜筋板厚t4=30mm，軸承基礎(chǔ)環(huán)厚t5=40mm，下法蘭厚t6=30mm，下筒體厚t7=25mm。
為便于對(duì)支持蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，作如下簡(jiǎn)化假設(shè)：視頂蓋為剛體，不考慮焊縫質(zhì)量問(wèn)題，不計(jì)各螺栓聯(lián)接處的局部應(yīng)力。根據(jù)支持蓋結(jié)構(gòu)和作用在其上載荷的軸對(duì)稱特點(diǎn)，切取包括一條輻向筋板和斜筋板在內(nèi)的扇形體結(jié)構(gòu)(整個(gè)結(jié)構(gòu)的1/12)作為分析模型。
a.網(wǎng)格劃分。上法蘭、下法蘭和軸承基礎(chǔ)環(huán)選用線性四邊形板單元，上筒體、下筒體和斜筋板選用線性四邊形殼單元，輻向筋板選用線形三角形平面應(yīng)力單元。
b.邊界條件。上法蘭和頂蓋聯(lián)接處簡(jiǎn)化為固定支承，即徑向、縱向和切向位移為0及繞徑向、縱向和切向的轉(zhuǎn)角為0°，所切取扇形體的兩個(gè)切斷面的切向位移為0及繞縱向和徑向的轉(zhuǎn)角為0°。
c.載荷條件。按正常工況和緊急停機(jī)工況分別處理，兩工況的最大應(yīng)力見(jiàn)表，應(yīng)力為按第四強(qiáng)度理論計(jì)算的相當(dāng)應(yīng)力。下法蘭2546mm處的軸向位移在正常工況為0.66mm，在緊急停機(jī)工況為-0.45mm，其位移的正值表示沿軸向向上。工廠的設(shè)計(jì)規(guī)范是：支持蓋的許用應(yīng)力[σ]=120MPa，下法蘭2546mm處的軸向位移下限為-0.4mm。
由此可知：大應(yīng)力區(qū)在輻向筋板的圓孔處、上法蘭同頂蓋的聯(lián)接處和下法蘭的內(nèi)圓處，正常工況和緊急機(jī)工況各部分的應(yīng)力都遠(yuǎn)小于許用值，而在緊急停機(jī)工況，下法蘭2546mm處的軸向位移超過(guò)許用值，因此緊急停機(jī)工況為危險(xiǎn)工況。
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