基于ANSYS的多波纹弹性油箱刚强度计算分析

王 燕，吕冠楠

(1.哈尔滨大电机研究所，黑龙江 哈尔滨 150040;2.吉林大学，机械科学与工程学院，吉林 长春 130012)

0 引言

推力轴承是水轮发电机的核心关键部件，它承受立式水轮发电机和水轮机转动部分的全部重量以及作用在水轮机转轮上的轴向水推力。其结构形式有多种，目前对于大推力负荷的大容量机组通常采用具有均载和自调性能的液压支柱式弹性推力轴承结构。弹性油箱是液压式弹性推力轴承中的弹性部件，其中多波纹弹性油箱在此结构中已经得到广泛应用。例如莲花、尼尔基、万家寨、托口、宣光、刘家峡、五强溪、葛州坝等电站均采用多波纹弹性油箱结构。

对于多波纹弹性油箱的刚强度性能是设计者最为关心的问题，同时也是保证推力瓦受力均匀的关键所在。作者以某一电站多波纹弹簧油箱作为计算算例，应用解析公式法和有限元法对其进行刚强度分析和计算方法确定[1－2]，使设计结构能够满足刚强度要求并使推力瓦受力均匀，以保证水轮发电机组运行的稳定性和可靠性。

1 多波纹弹性油箱特点

弹性油箱承受轴向推力负荷。多波纹弹性油箱是由多波纹弹性油箱体、支铁、环铁、透平油等组成的。具体的说，是将环铁和支铁放置于弹性油箱体里，支铁上平面与弹性油箱体上口平面缝隙经电焊焊牢密封。多波纹弹性油箱体下侧开有两个接口，油箱内充满透平油。油箱之间用底盘固定，用钢管连通。根据连通器原理使机组运行时各油箱的受力基本一致，推力瓦之间的不均衡负荷通过油压均衡，保证机组稳定的运行。整个油压系统牢固密封，利用油箱的轴向变形及油压传递使各瓦受力均匀，构成了推力瓦的弹性支撑结构。多波纹弹性油箱结构见图1所示。

图1 多波纹弹性油箱结构图

2 基本计算参数

3 解析公式法

3.1 弹性油箱强度

(1)工作油压

(5)温度应力

设温度差为Δt=10℃，钢皮变形1 mm箱内体积的变化:

3.2 充油数据

计算结果如表1所示:

表1 充油数据

打初油压时，以表中油箱升高值λ为检验依据，压力表值为参考，在充油温度低于15℃时，按15℃时的要求打初压。

4 有限元法

该水电站机组的液压支柱式推力轴承共有16个多波纹弹性油箱。油箱内充满了密闭的透平油，通过连通管使油连通在一起形成液压支柱。机组的推力负荷由推力瓦作用在每一个油箱的顶盖上。

4.1 计算模型

根据多波纹弹性油箱的对称结构特点，计算过程按轴对称问题的有限元法进行分析。选用轴对称单元进行模拟，取XY平面为轴对称面，Y轴为对称轴，选用的单元为plan82单元，弹性油箱有限元计算模型见图2所示。

图2 弹簧油箱有限元计算模型

边界处理:在弹性油箱底面约束外侧X和Y位移。

载荷处理:主要考虑3种工况进行计算，在弹性油箱的内腔和模型顶部施加不同大小的均布面力。3种工况分别为工作状态、初压状态及空筒状态，其受力如下:

工况1——工作状态:内腔压力 p1=13.53 MPa，顶部压力 p2=10.76 MPa(工作负荷为1.49×106N)

工况2——初压状态:初油压p1=0.83 MPa

工况3——空筒状态:顶部压力 p2=0.72 MPa(假设施加100000 N作用力)

4.2 计算结果

通过有限元分析可以得出3种工况下油箱的应力及变形，如表2所示，各工况下的应力及变形见图3～图4。

表2 3种不同工况的计算结果

图3 工作状态油箱局部应力分布云图(内压13.53 MPa，外压10.76 MPa)

图4 工作状态油箱变形图

5 结语

1)通过对某电站多波纹弹性油箱刚强度分析，发现其最大应力位置通常出现在波纹弯曲部位。

2)从有限元和解析计算结果可以看出作者提出的计算方法真实可靠，可以准确地计算出多波纹弹性油箱的真实应力水平，从而为今后对多波纹弹性油箱进行刚强度分析提供了强有力的技术支持。

[1]叶先磊，史亚杰.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京:清华大学出版社，2003.

[2]丁淑华，庞立军.水轮发电机单波纹弹性油箱刚强度性能计算方法研究[J].上海大中型电机.2010(4).