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高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗封頭受力分析


1 概述

    為了驗證水輪機(jī)球閥的焊接質(zhì)量和承載能力,需要對水輪機(jī)球閥進(jìn)行壓力試驗。水輪機(jī)球閥壓力試驗中采用的閥體封頭主要有鑄造結(jié)構(gòu)、球殼與錐殼組焊結(jié)構(gòu)以及平板型結(jié)構(gòu)。鑄造結(jié)構(gòu)封頭受澆注質(zhì)量影響,容易存在缺陷,導(dǎo)致壓力試驗時封頭損壞。平板型結(jié)構(gòu)封頭制作相對簡單,但是組焊焊接工作量很大,耗費(fèi)大量金屬材料。相比之下,球殼與錐殼組焊結(jié)構(gòu)封頭更具優(yōu)勢。本文以某高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗封頭結(jié)構(gòu)為研究對象,分析了結(jié)構(gòu)受力情況以及避免高應(yīng)力的措施。

    2 有限元模型

    壓力試驗封頭屬于對稱結(jié)構(gòu),本文所研究的球閥壓力試驗封頭含有20個立筋,利用其對稱性切取包含1個立筋的1/20個封頭作為計算模型(圖1),并選擇每個節(jié)點(diǎn)具有3個自由度的20節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID95劃分網(wǎng)格。在試驗封頭剖切出的2個對稱面上施加對稱邊界條件,在試驗封頭螺栓連接處施加軸向約束,在試驗封頭內(nèi)表面施加試驗水壓力11.5MPa。

高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗封頭受力分析

圖1 球閥壓力試驗封頭有限元模型

    壓力試驗封頭是由各部分鋼板組焊而成的,因此可以根據(jù)封頭各部分的重要程度和應(yīng)力水平而選用不同的金屬材料。本文分析的結(jié)構(gòu)中,封頭本體(包括球殼、錐殼、圓筒和補(bǔ)強(qiáng)段)材料選用16MnR,立筋材料選用16MnR,法蘭材料選用Q235(表1)。

表1 封頭各部分材料及力學(xué)特性

    3 受力分析

    對高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗封頭進(jìn)行受力分析(圖2),結(jié)構(gòu)*大vonmises應(yīng)力為242MPa,屬于局部應(yīng)力,小于其對應(yīng)的許用局部應(yīng)力425MPa。封頭存在4個主要的高應(yīng)力區(qū)域,分別是錐殼與立筋連接處(S1)、錐殼與圓筒連接處(S2)、圓筒與補(bǔ)強(qiáng)段連接處(S3)以及法蘭與補(bǔ)強(qiáng)段連接處(S4)。

圖2 試驗封頭vonmises應(yīng)力分布

    為保證試驗封頭組焊鋼板的膜應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求,針對4個高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)力的線性化分析(圖3)。利用積分方法(即:沿著路徑對應(yīng)力進(jìn)行積分,并除以路徑長度),分別提取各個高應(yīng)力區(qū)域的*大平均應(yīng)力,并按照相應(yīng)許用應(yīng)力進(jìn)行考核,結(jié)果表明平均應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求(表2)。

表2 封頭應(yīng)力分析結(jié)果

(a)沿S1位置路徑(b)沿S2位置路徑

(c)沿S3位置路徑(d)沿S4位置路徑

圖3 沿著高應(yīng)力路徑的應(yīng)力分布
 

    4 結(jié)語

    利用有限元方法以高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗封頭結(jié)構(gòu)為研究對象,并依據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力及其試驗標(biāo)準(zhǔn)要求對結(jié)果進(jìn)行考核,結(jié)果表明選擇恰當(dāng)?shù)匿摪宄叽绾秃穸龋梢詫崿F(xiàn)金屬材料和應(yīng)力水平的很好協(xié)調(diào)。

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