Misek: Pevnostni analyza rozvadecich kol parnich turbin

Pevnostní analýza rozvád cích kol parních turbin
Tomáš Míšek 1)
Anotace:
Obsahem práce je nalezení nové metodiky pevnostního výpo tu rozvád cích kol parních
turbin a možnosti jeho dalšího zautomatizování pomocí makra.Ú elem je zdokonalení a
zefektivn ní celkové pevnostní analýzy rozvád cích kol. Pro pevnostní analýzu byla zvolena
metoda kone ných prvk s využitím prost edí ANSYS. MKP model rozvád cího kola byl
cejchován a následn verifikován podle nam ených hodnot deformací a napjatostí na
skute ném kole.
Annotation:
An article presents a study of stress analysis of steam turbine guide wheels and further covers
a possibility to create a macro, which would make such analysis more efficient. The finite
element method with advantages of ANSYS was chosen for this particular stress problem. A
real guide wheel was used for obtaining stress and deflection measurement data. Those values
were utilized to calibrate FE model.
______________________________
1)
Škoda Energo s.r.o.,Tylova 57,31600 Plze , [email protected]
12. ANSYS Users’ Meeting, 30.zá í – 1. íjna 2004 na Hrubé Skále
-1-
1. Úvod
Rozvád cí kolo p edstavuje z pevnostního hlediska složitý systém. Jedná se o p lenou
tlustost nnou desku, která sestává z v nce, lopatkové m íže a disku. Spojení t chto ástí se
donedávna provád lo bu sva ením nebo zalitím. Nová technologie nahrazuje sva ení
kolíkovým spojením.
Až doposud byly pro pevnostní výpo ty rozvád cích kol používány analytické metody jejichž
vznik sahá mnohdy až do 30. let minulého století. ( Metoda Taylor, Metoda Rozenbljumova).
Tyto metody byly postupem asu upravovány a zdokonalovány. Jejich hlavní nevýhodou je,
že jsou vhodné pouze pro ur itý typ rozvád cích kol, tzn. záleží na pom ru tuhostí v nce a
disku. Nástupem kolíkového spojení vyvstala otázka, jak toto spojení nejlépe modelovat, a
proto byla hledána nová metodika výpo tu. Jako nejvhodn jší se jevilo použití metody
kone ných prvk , s tím omezením, že je t eba zachovat rychlost a flexibilitu výpo tu a také
snadné jednoduché a asov nenáro né vytvá ení modelu. Práv pro tyto d vody se jevilo
jako nejvhodn jší ešení použít kombinaci 3D prvk a 1D nosníkových prvk pro modelování
rozvád cích lopatek.
2. Kritéria bezpe nosti
Jako kritérium pro hodnocení napjatosti jsou používány koeficienty provozní bezpe nosti,
které vycházejí z primárních nap tí resp. z primárních ohybových nap tí. Tento p ístup
umož uje nezabývat se modelováním detail nap . p echodových rádius mezi lopatkou a
mezikusem, ale pouze základní geometrií.
Dalším d ležitým kritériem je maximální deformace disku v axiálním sm ru tj. ve sm ru osy
rotoru. D vodem je, aby za provozu nedošlo k poškození t snících ucpávek mezi rotorem a
rozvád cím kolem a následn ke snížení ú innosti turbinového stupn .
v nec
disk
mezikus
Obr. 1a. Rozvád cí kolo
nožka
Obr. 1b. Rozvád cí lopatka
12. ANSYS Users’ Meeting, 30.zá í – 1. íjna 2004 na Hrubé Skále
-2-
3. Výpo tový model
Z d vodu zjednodušení výpo tového modelu je uvažována pouze ¼ celého kola, což z
exaktního pohledu není správné, nebo kolo má jen jednu rovinu symetrie, ale pro naše ú ely
je to dosta ující.
V nec a disk je modelován 3D prvky typu SOLID45, lopatky jsou modelovány 1D
nosníkovými prvky typu BEAM189, které umož ují uživateli definovat obecný p í ný pr ez
nosníku a dále jeho 3D vizualizaci. Prvek BEAM189 je postaven podle Timoshenkovy teorie,
tzn. dovede zachytit i takzvaný stísn ný krut, pro který již neplatí Saint-Venantova teorie, kdy
sice dochází k deplanaci p í ného pr ezu, ale nedochází ke vzniku normálových nap tí.
Tento Timoshenk v nosník je práv vhodný pro náš model rozvád cí lopatky, nebo i ta je
namáhána na krut, a to p edevším v míst d lící roviny. Ke stísn nosti dochází vlivem
p iva ení k disku a v nci resp. u kolíkovaných kol vlivem tuhosti mezikusu.
U skládaných rozvád cích kol je t eba dále vzít v úvahu ten fakt, že místo p sobišt sil na
rozvád cí lopatku je výrazn odlišné od st edu krutu profilu lopatky, což má za následek
vznik p ídavného kroutícího momentu.
Obr.2. Profil rozvád cí lopatky
Jelikož v sou asné dob je pro rozvád cí lopatky používáno n kolik desítek typ profil , bylo
proto výhodné vytvo ení jejich batabáze.
12. ANSYS Users’ Meeting, 30.zá í – 1. íjna 2004 na Hrubé Skále
-3-
3.1. Okrajové podmínky a zatížení
Rozvád cí kolo je vystaveno tlaku a teplot proudící páry. Vliv teploty je pouze zohledn n u
fyzikálních vlastností materiálu s tím, že creepový efekt není uvažován a je pouze implicitn
zahrnut do sou initele bezpe nosti.
Velký vliv na po ítanou celkovou deformaci kola má volba a umíst ní okrajové podmínky
v nce. V tomto p ípad bylo podep ení uskute n no po obvod kružnice v nce. Vhodný
polom r kružnice byl kalibrován podle výsledk m ení deformace kola.
3.2
Výsledky
Zde je p íklad výsledk pevnostní analýzy rozvád cího kola druhého stupn VT ásti turbiny
Acerra 120MW.
Obr. 3. Celková deformace kola
4.
Obr. 4. HMH nap tí na lopatce
Zhodnocení a záv r
Porovnáním výsledk MKP výpo tu a m ení byla shledána výrazná shoda napjatostí ve
v nci a disku. Co se tý e lopatky, tam v n kterých p ípadech k úplné shod již zcela nedošlo.
Jedná se hlavn o p ípad skládaných kol. Maximální hodnoty nap tí však souhlasily, a to je
d ležité kv li stanovení provozní bezpe nosti. Je z ejmé, že není možno získat zcela p esné
výsledky z 1D modelu, nebo ten není schopen p esn zachytit reálné chování lopatky. Na
druhou stranu velmi usnad uje kategorizaci nap tí, z které dále vychází stanovení koeficient
bezpe nosti.
Výše uvedený postup pevnostní analýzy byl kompletn zautomatizován do formy makra, což
velmi výrazn zrychlilo celkový proces pevnostní kontroly rozvád cích kol. Dále pak došlo
k zp esn ní výsledk napjatostí a deformací oproti doposud používaným metodám.
12. ANSYS Users’ Meeting, 30.zá í – 1. íjna 2004 na Hrubé Skále
-4-
Literatura
[1] ANSYS Release 8.0 Documentation
[2] Albl,P.: Pevnostní výpo et mechanicky skládaných rozvád cích kol (2004)
[3] J. C. Simo, L. Vu-Quoc, “Three-Dimensional Finite-Strain Rod Model, Part II”, Computer
Methods in Applied Mechanical Engineering, Vol. 58, 1986, pp. 79-116.
12. ANSYS Users’ Meeting, 30.zá í – 1. íjna 2004 na Hrubé Skále
-5-