Page 96 - 电力与能源2021年第五期

5 8 8 邓亚新, 等: 混流式水轮发电机转轴结构应力分析方法

图 2 转轴计算几何模型

图 3 转轴计算网格模型
只承受轴向拉力。额定功率下转轴近法兰处外壁
( 应力测试部位) 横截面应力分布图如图 5 所示,
其外壁切 应 力 为 42.28 MPa , 与 应 力 测 试 结 果 图 4 额定功率下转轴应力分布图( 左为切应力, 右为 mises应力)
42.0MPa 、 理论计算结果41.4MPa基本一致, 说 表 1 转轴近法兰轴外壁切应力计算结果
明有限元计算模型是可靠的。 机组功率/ MW 启动冲击 2.89 23 47.5 71.75 90 95
理论计算切应力/ MPa 1.26 10.02 20.70 31.27 39.22 41.40
5 转轴应力状态综合分析 应力测试切应力/ MPa 23.18 1.67 10.51 21.38 31.42 39.96 41.98
数值模拟切应力/ MPa 23.35 1.68 10.58 21.54 31.65 40.25 42.28
结合理论计算、 应力测试和模拟仿真这 3 种
测试位置处的切应力和等效应力。由图 7 可知,
方法, 对转轴应力状态进行综合分析。机组不同 转轴各处应力变化趋势基本一致, 除了切应力存
功率下, 3 种方法计算所得转轴近法兰轴外壁扭 在甩负荷效应外, 均是随机组负荷同向变化; 进一
转切应力值如表 1 所示。由表 1 可知, 这 3 种方 步分析可得, 转轴最大应力位置处切应力约为应
法结果基本一致, 理论计算值略小于应力测试和
力测试处切应力的 1.30 倍, Mises应力约为 1.32
ANSYS 模拟 结 果, 这 与 机 组 的 发 电 损 耗 有 关。 倍。此倍数反映的正是截面突变处的应力集中效
测试试验过程中 3 种方法计算所得转轴近法兰处 应, 即为应力集中系数; 在后续分析中可直接将应
力测试结果乘于此系数得出转轴的最大应力, 无
外壁的切应力变化曲线如图 6 所示。图 6 中, τ y z-a
为 ANSYS 模拟结果、 τ y z-t 为应力测试结果、 τ y z-c 为 需再次数值模拟计算。
理论计算结果, 图 6 显示在各工况下 3 种方法结
6 结语
果基本一致, 但是理论计算结果无法反映机组的
启动冲击效应和甩负荷应力变化特征。 有限元数值模拟计算所得转轴应力结果与理
有限元模拟计算所得转轴最大应力位置处和 论计算应力结果和现场应力测试结果基本一致,
应力测试部位应力变化图如图 7 所示。图 7 中, 说明本文中有限元计算模型是可靠的。转轴应力
τ y z1 和等效应力 1 分别为转轴最大应力位置处的 随机组负荷变化而变化, 负荷越大应力越大; 但是
切应力和等效应力, τ y z2 和等效 2 分别为转轴应力 在机组启动时转轴存在冲击应力, 在机组甩负荷