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支持蓋是水輪機的主要部件之一，安裝在頂蓋上支撐著控制環(huán)等，耗材甚多。在支持蓋的結(jié)構(gòu)設計中，除考慮滿足其導水等功能外，更重要的是在滿足其強度和剛度的條件下節(jié)省材料。多年來，我國生產(chǎn)的水輪機支持蓋一直沿襲20世紀50年代前蘇聯(lián)的設計理論進行設計，90年代后在大型水輪機支持蓋的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設計方面進行了一些探索，但對中、小型水輪機支持蓋的研究較少。本研究以某發(fā)電設備總廠生產(chǎn)的采用傳統(tǒng)剛性環(huán)算法設計的某型水輪機支持蓋為例，傳統(tǒng)剛性環(huán)算法的主要缺點是：對輻向筋板和斜筋板的形式、個數(shù)和厚度的影響未加考慮，不能處理支持蓋各部分結(jié)構(gòu)厚度和形式的合理搭配。為解決這一問題，對該水輪機支持蓋在正常工況和緊急停機工況下進行了有限元分析和靈敏度分析，為改善支持蓋軸向位移太大和應力分布不均勻狀況，對支持蓋進行了優(yōu)化設計。
某型水輪機支持蓋結(jié)構(gòu)見圖，從外形看整個支持蓋呈環(huán)形箱體，是一個具有軸對稱的結(jié)構(gòu)。該支持蓋的主要結(jié)構(gòu)尺寸為：上筒體厚t1=30mm，上法蘭厚t2=40mm，輻向筋板厚t3=25mm，斜筋板厚t4=30mm，軸承基礎環(huán)厚t5=40mm，下法蘭厚t6=30mm，下筒體厚t7=25mm。
為便于對支持蓋進行結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設計，作如下簡化假設：視頂蓋為剛體，不考慮焊縫質(zhì)量問題，不計各螺栓聯(lián)接處的局部應力。根據(jù)支持蓋結(jié)構(gòu)和作用在其上載荷的軸對稱特點，切取包括一條輻向筋板和斜筋板在內(nèi)的扇形體結(jié)構(gòu)(整個結(jié)構(gòu)的1/12)作為分析模型。
a.網(wǎng)格劃分。上法蘭、下法蘭和軸承基礎環(huán)選用線性四邊形板單元，上筒體、下筒體和斜筋板選用線性四邊形殼單元，輻向筋板選用線形三角形平面應力單元。
b.邊界條件。上法蘭和頂蓋聯(lián)接處簡化為固定支承，即徑向、縱向和切向位移為0及繞徑向、縱向和切向的轉(zhuǎn)角為0°，所切取扇形體的兩個切斷面的切向位移為0及繞縱向和徑向的轉(zhuǎn)角為0°。
c.載荷條件。按正常工況和緊急停機工況分別處理，兩工況的最大應力見表，應力為按第四強度理論計算的相當應力。下法蘭2546mm處的軸向位移在正常工況為0.66mm，在緊急停機工況為-0.45mm，其位移的正值表示沿軸向向上。工廠的設計規(guī)范是：支持蓋的許用應力[σ]=120MPa，下法蘭2546mm處的軸向位移下限為-0.4mm。
由此可知：大應力區(qū)在輻向筋板的圓孔處、上法蘭同頂蓋的聯(lián)接處和下法蘭的內(nèi)圓處，正常工況和緊急機工況各部分的應力都遠小于許用值，而在緊急停機工況，下法蘭2546mm處的軸向位移超過許用值，因此緊急停機工況為危險工況。
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