汽轮发电机联轴器有限元分析计算

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【摘要】针对某汽轮发电机联轴器，采用过盈和周向均布圆锥键的联结结构，使之和轴共同旋转以传递扭矩。采用有限元分析软件ANSYS，采用Solid单元离散联轴器的结构，建立联轴器有限元仿真分析的实体模型，对模型施加适当的边界条件，分析计算得出联轴器与轴配合的紧量，联轴器、轴和圆键的最大综合应力，并对联轴器、轴和圆键进行强度考核，为联轴器的设计提供依据。

【关键词】汽轮发电机；联轴器；紧量；强度

1、引言

联轴器是机械传动中一种常用轴系部件，在发电机运行中起着传递运动和扭矩的作用，如果在联轴器和轴上有沟槽，并且联轴器和轴是紧配合，联轴器和轴上这些几何形状不连续和紧配合所产生的接触应力，在联轴器和轴上引起较名义应力大得多的局部应力，因此必须对联轴器和轴进行强度校核。某汽轮发电机联轴器结构采用过盈和周向均布圆锥键的联结型式，根据非线性接触理论，采用有限元分析方法，对联轴器在扭矩作用下，根据联轴器运行工况对其进行静强度分析。最后计算得出联轴器与轴配合的紧量值，联轴器、联轴器、轴和圆键的应力分布情况，同时进行强度考核，结果证明联轴器的设计符合强度要求。

2、机组主要设计参数

额定转速 3000转/分

额定扭矩 5.7E8N.mm

最大两相短路扭矩 3.9E9N.mm

轴材料屈服极限 σs1=750MPa

联轴器材料屈服极限 σS2=1000MPa

圆键材料屈服极限 σS3=1000MPa

3、联轴器与轴配合紧量计算

设联轴器和轴的分离转速为nf=4800转/分。

在分离转速下，轴和联轴器的径向的变形分布见图3-1，联轴器与轴配合处的半径方向变形范围为0.114mm～0.272mm。轴与联轴器配合处的半径方向变形范围为0.139mm～0.157mm。考虑到加工误差和应力的影响，轴和联轴器半径方向上配合紧量范围为0.15mm～0.23mm。

4、有限元分析计算

联轴器结构和载荷具有载荷周期对称的特点，取联轴器结构的1/n建立有限元模型。联轴器、圆键和轴采用接触方式，在1/n之一边界处施加周期对称约束。在联轴器的法兰外圈上加扭矩，并对整个模型施加3000转/分的转速。联轴器的强度计算考核额定运行和两相短路两种工况

4.1额定工况有限元分析结果

额定工况下计算结果，联轴器最大综合应力为503MPa，应力分布见图4-1；轴最大剪应力为33MPa，应力分布见图4-2；圆键最大剪应力为29MPa，应力分布见图4-3。

4.2两相短路工况有限元分析结果

两相短路工况下计算结果，联轴器最大综合应力为758MPa，应力分布见图4-4；轴最大剪应力为351MPa，应力分布见图4-5；圆键最大剪应力为87MPa，应力分布见图4-6。

5、结论

1）在分离转速4800转/分下，轴和联轴器直径方向配合紧量范围为0.3mm～0.46mm。

2）在轴和联轴器直径配合紧量为0.46mm时，轴、圆键和联轴器各工况下的应力和安全系数见下表5-1。

综上所述，额定工况，联轴器、轴和圆键的安全系数均大于许用安全系数1.5，满足强度要求；两相短路工况，联轴器、轴和圆键的安全系数均大于许用安全系数1.0，满足强度要求。

作者简介

刘继慧（1979-），2008年毕业于哈尔滨工程大学材料学专业，现于哈尔滨电机厂有限责任公司产品设计部从事大型发电机组结构设计和强度、振动分析工作，工程师。