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100MW空冷汽輪發(fā)電機是目前國內(nèi)自行研制的最大容量的空冷發(fā)電機。護環(huán)是發(fā)電機轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，通過理論研究和有限元分析，確定護環(huán)與本體、護環(huán)與中心環(huán)的最佳配合公盈，并對護環(huán)的強度特性進行分析具有重要意義。既保證100空冷發(fā)電機轉(zhuǎn)子安全、穩(wěn)定運行，也為開發(fā)135MW，200大型空冷機組轉(zhuǎn)子護環(huán)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。護環(huán)的受力狀態(tài)極其復(fù)雜。超速時，護環(huán)將承受巨大的離心力作用，與本體和中心環(huán)產(chǎn)生較大的相對位移，為保證護環(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，護環(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；在起停機過程中，需要考慮轉(zhuǎn)子齒受到的交變力的作用。因此，護環(huán)的分析必須兼顧4種不同的工況。另外，由于護環(huán)的材料與本體、中心環(huán)的材料性能不一致，在各個工況下三者的變形存在差異，為保證在每個工況時，護環(huán)與本體、中心環(huán)保持接觸，應(yīng)力分布又達到最優(yōu)工況，確定最佳配合公盈是問題的又一個關(guān)鍵。傳統(tǒng)的計算方法是將護環(huán)簡化成薄壁或厚壁圓筒，計算其平均變形、平均應(yīng)力及配合面的總壓力。因此無法知道護環(huán)的最大應(yīng)力和應(yīng)力分布規(guī)律，設(shè)計是比較保守的。用有限元方法分析護環(huán)的應(yīng)力和變形，克服了傳統(tǒng)方法的缺點，計算結(jié)果更符合實際情況。本研究將GAP元用于接觸問題是一次成功的嘗試，從應(yīng)力分布來看，結(jié)果非常理想，計算精度大大提高，在護環(huán)的優(yōu)化計算中值得推廣應(yīng)用。
本研究采用有限元方法，應(yīng)用世界先進的I-DEAS有限元計算程序進行分析。轉(zhuǎn)子是回轉(zhuǎn)體，所以我們采用軸對稱單元建立計算模型。計算時取本體一部分，護環(huán)、中心環(huán)全部為研究對象建立有限元模型，護環(huán)與本體結(jié)合面單元劃分很密，以找出真實的最大應(yīng)力點和應(yīng)力分布情況，有限元模型如圖所示。護環(huán)與本體，護環(huán)與中心環(huán)為過盈配合，處理接觸問題時我們曾經(jīng)用過桿單元或梁單元，以及假設(shè)第三種材料等方法，但這些手段在反映護環(huán)的受力情況時都有一定的局限。本文在護環(huán)的分析中采用GAP單元來處理配合面接觸問題，計算結(jié)果更符合實際情況，計算精度大大提高。
護環(huán)的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，根據(jù)其運行工況需要考慮靜止時護環(huán)由于較大的配合公盈產(chǎn)生的配合力、超速時護環(huán)承受的較大離心力作用以及正常工作狀態(tài)，護環(huán)受到的離心力、熱應(yīng)力及剩余配合力的作用；在起停機過程中，需要考慮轉(zhuǎn)子齒受到的交變力的作用。因此，護環(huán)的分析必須兼顧4種不同的工況。計算時選取如下3種工況，通過配合公盈的優(yōu)選使護環(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。計算工況：護環(huán)是通過熱套配合裝到轉(zhuǎn)子上的，相當(dāng)于一個圓筒緊緊地套在一個圓柱上。由于護環(huán)材料與本體、中心環(huán)材料性能不一致，護環(huán)受力情況又比較復(fù)雜，所以在不同工況下，護環(huán)、中心環(huán)和本體的變形都不相同。為了保證在各個工況下，護環(huán)與本體、中心環(huán)保持接觸，我們分別計算了3個工況下，護環(huán)與本體，護環(huán)與中心環(huán)配合面的變形，最后計算出配合公盈。
護環(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，計算時簡化成正交各向異性材料，利用等效剛度的辦法計算出三個主方向的彈性模量，并給出相應(yīng)的材料密度。材料的機械性能列于表，護環(huán)與本體、中心環(huán)配合面對應(yīng)節(jié)點的位移分別見表，根據(jù)表之表的變形由式計算出配合公盈值，并考慮護環(huán)熱套工藝要求，確定出護環(huán)與本體兩個配合面直徑最佳配合公盈，護環(huán)與中心環(huán)兩個配合面直徑最佳配合公盈。從護環(huán)的應(yīng)力分布情況可見，各個工況下的應(yīng)力分布十分合理，表明單元的劃分、邊界條件處理正確，護環(huán)配合公盈選取恰當(dāng)，計算結(jié)果可信。
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