发电机挡块组件有限元分析

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摘 要:为分析抽水蓄能发电机挡块组件的von Mises应力(以下简称应力)分布情况,在MSC Marc中建立有限元模型,分别采用截面法和渗透接触法对螺栓施加预紧力,通过对发电机挡块组件处于稳定转速、抽水启动、抽水停机、发电启动、发电停机和甩负荷等工况的非线性接触分析,得到各工况下该发电机挡块组件的应力分布. 结果表明,2种螺栓预紧力的施加方法是等效的;各工况下最大应力均发生在螺栓圆角处;转速大小对应力分布起决定性作用. 该结果可为抽水蓄能发电机挡块组件结构的分析设计提供参考.

关键词:发电机挡块; 截面法; 渗透接触法; 预紧力; 非线性接触; 有限元分析; MSC Marc

中图分类号:TK730.2;TK730.3;TB115 文献标志码:A

Finite element analysis on generator stopper component

ZHANG Wei,ZHENG Bailin,HE Pengfei

(School of Aerospace Eng. & Applied Mechanics, Tongji Univ., Shanghai 200092, China)

Abstract: To analyze the von Mises stress(here in after referred to as stress) distribution of pumped storage generator stopper component, the finite element model is established in MSC Marc, and the pre,tightening force is exerted on bolt by using section method and penetration contact method separately. Through the nonlinear contact analysis of the cases such as steady speed, pumping start, pumping stop, power generation start, power shutdown, load rejection and so on, the stress distribution of the generator stopper under each case is obtained. The results show that the two methods for exerting pre,tightening force on bolt are equivalent; the maximum stress under each case is in the bolt fillet region; and the rotating speed has a decisive effect on stress distribution. The results can provide reference for the analysis and design of pumped storage generator stopper component.

Key words: generator stopper; section method; penetration contact method; pre,tightening force; nonlinear contact; finite element analysis; MSC Marc

0 引 言

电力系统需调峰调频和备用容量,抽水蓄能电站是最佳选择.抽水蓄能机组启动快速,适用调节负荷范围广,不但能很好地完成调峰任务、改善电网运行,而且在提高水电效益、有效利用能源上都有明显功效.

与常规水轮发电机相比,启动和停机问题在蓄能机组的日常运行中占据非常重要的地位.本文以某发电机挡块组件为例,采用MSC Marc建立有限元模型,对发电机挡块组件处于稳定转速、抽水启动、抽水停机、发电启动、发电停机、甩负荷等工况进行分析,得到在各工况下该发电机挡块组件的von Mises应力(以下简称应力)分布,为结构的设计分析提供参考.

1 发电机挡块组件有限元模型

某发电机挡块组件由固定螺栓、垫片、挡块、限位块以及两侧的环氧树脂挡板等组成,用UG NX

4.0建立各部件的几何模型,对实际模型进行简化处理,忽略其中半径微小的圆角及小孔.将几何模型导入HyperMesh中划分网格,用4节点四面体网格划分模型较为复杂的挡块,用8节点六面体网格划分需重点分析的螺栓和限位块.螺栓圆角处会产生应力集中,故在圆角处适当细划为8层单元以保证计算精度.整个有限元模型共有161 184个单元、

131 721个节点.几何模型及有限元模型见图1.

(a)几何模型(b)有限元模型图 1 几何模型及有限元模型

2 各工况下计算结果分析

2.1 计算参数

在实际中,沿高度方向共有3个完全相同的发电机挡块组件,本文对其中的1个进行分析:两侧的环氧树脂挡板卡在线圈中,中间的挡块通过与环氧树脂挡板、限位块之间的接触和高度方向位移进行约束,固定螺栓拧紧在限位块中,限位块的下端约束高度方向的位移.

图 2 接触关系发电机挡块组件固定螺栓受预紧力作用,在螺帽下沿与垫片上沿发生接触变形,同时环氧树脂挡板与挡块、限位块之间,挡块与环氧树脂挡板、限位块之间均发生接触变形,整个模型的接触关系较为复杂,见图2.为准确模拟整个模型的力学行为,须进行非线性接触分析.

2.2 螺栓预紧力的施加

可通过截面法、渗透接触法和等效力法等实现螺栓预紧力模拟.其中,等效力法将螺杆所承受的轴向拉力等效为多个集中力或1个面压力,对预紧螺栓作用的连接结构直接施加等效载荷.该方法不建立预紧螺栓的有限元模型,不能模拟连接结构中螺帽与垫片的接触问题.本文采用截面法和渗透接触法模拟螺栓预紧力,计算结果见图3.实际中,预紧时螺杆截面轴向平均应力为138.1 MPa.

(a)截面法计算结果

(b)渗透接触法计算结果

图 3 预紧力计算结果

2种螺栓预紧力施加方法计算结果见表1,可知只要二者产生相同的预紧力,则整体计算出的应力分布是相同的,因此本文只采用截面法施加预紧力.

表 1 2种螺栓预紧力施加方法计算结果MPa方法 圆角最大应力 螺杆截面轴向平均应力截面法 343.8 138.1渗透接触法 343.7 138.1

2.3 各工况计算结果

发电机挡块组件的实际工作状态有稳定转速、抽水启动、抽水停机、发电启动、发电停机和甩负荷等6种,其中抽水启动和发电启动分为2个阶段,所以实际工况有8个,见表2.稳定转速工况下发电机挡块组件整体应力分布云图见图4,其他工况下的应力分布趋势与稳定转速工况相同,应力最大值发生在螺栓圆角区,螺栓与挡块的应力较大.发电机挡块组件螺栓及挡块的应力较大,为重点部位,8个工况下螺栓及挡块的应力分布趋势相同.

表 2 工况汇总工况 时间/s 转速/(r/s)加速度/(r/s2)稳定转速 8.333 0抽水启动(一) 171.580 0～8.177 0.048 0抽水启动(二) 22.580 8.177～8.333 0.006 9抽水停机 277.330 8.333～0 -0.030 0发电启动(一) 26.640 0～7.900 0.297 0发电启动(二) 7.193 7.900～8.333 0.060 0发电停机 365.324 8.333～0 -0.023 0甩负荷 14.300 10.333～8.117 -0.150 0

图 4 稳定转速工况下发电机挡块组件整体应力分布图

稳定转速工况下螺栓及挡块的应力分布云图见图5和6.螺栓圆角处应力达460.4 MPa,螺栓螺杆平均轴向应力为152.2 MPa,圆角处应力集中明显,靠近圆角的螺栓头部也有应力集中现象产生;挡块应力较大的部位发生在上方与垫片的接触区和下方与限位块的接触区,最大应力为121.2 MPa.

(a)螺栓整体应力

分布云图(b)螺栓头部应力

分布放大图图 5 稳定转速工况下螺栓应力分布云图

(a)挡块顶部应力分布云图(b)挡块底部应力分布图图 6 稳定转速工况下挡块应力分布云图

2.4 接触状态

稳定转速工况下各部件接触状态见图7,可知在实际工况中,各部件之间紧密接触,接触状态均匀稳定.其他工况下接触状态与稳定转速工况相同.

(a)螺帽下沿接触状态(b)挡块接触状态图 7 稳定转速工况下各部件接触状态

2.5 计算结果分析

在稳定转速工况下,螺杆轴向平均应力为

152.2 MPa,由于螺栓头部与螺杆圆角过渡区域截面形状发生突变导致应力集中,圆角区最大应力为

460.4 MPa.若定义圆角区最大应力与螺杆平均轴向应力的比为应力集中因数,则稳定转速工况下应力集中因数约为3.螺栓材料为高强度钢,屈服极限约为850 MPa,圆角区的应力远小于材料的屈服极限,本文中螺栓圆角半径较小,为3 mm,因此应力集中较明显,文献和也有较明显的应力集中

现象.

各工况下螺栓、挡块和垫片的最大应力见表3.各个工况经历的时间不同,转速的变化不同,因此转速加速度的变化也不同.可知,在所计算的工况中,只要转速相同,则螺栓、挡块和垫片的最大应力均相同,转速加速度的影响可忽略.随着转速的增大,螺栓、挡块和垫片的应力均增大.

表 3 各工况下螺栓、挡块和垫片的最大应力MPa工况 螺栓最大应力 挡块最大应力 垫片最大应力稳定转速 460.4 121.2 173.0抽水启动(一) 459.3 121.0 172.7抽水启动(二) 460.4 121.2 173.0抽水停机 460.4 121.2 173.0发电启动(一) 457.5 120.5 172.1发电启动(二) 460.4 121.2 173.0发电停机 460.4 121.2 173.0甩负荷 475.9 124.8 178.1

为说明转速加速度对应力分布的影响,以甩负荷工况为例(见图8):当稳定转速时,挡块与挡板的两侧接触区接触情况相同,因此两侧的接触反力平衡;施加转速后,一侧的接触有放松的趋势,另一侧的接触有更紧密的趋势,因此两侧的接触反力不再平衡.接触反力差值的大小反映转速加速度的效果,挡块与挡板接触区左侧的接触反力总和为

30 747.33 N,接触区右侧的接触反力总和为

30 737.08 N,两侧接触反力合力大小仅相差10 N左右,其对应力分布的影响体现不出来.接触反力合力相差很小的原因是挡块的质量很小,在转速加速度的作用下惯性力也很小.

图 8 挡块与挡板接触的单元

3 结 论

(1)截面法和渗透接触法这2种螺栓预紧力的施加方法是等效的,实际应用时可选用其中1种;

(2)通过对发电机挡块组件的非线性接触有限元分析得各工况下的应力分布情况,为结构分析设计提供参考;

(3)由于转速加速度和挡块的质量较小,惯性力对应力分布几乎没有影响,转速大小对应力分布起决定性作用.

参考文献:

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