Раціональне моделювання кришки гідротурбіни для аналізу міцності

Автор(и)

  • S. Y. Misura кандидат технічних наук, науковий співробітник відділу вібраційних і термоміцнісних конструкцій, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України, Україна
  • N. V. Smetankina доктор технічних наук, старший науковий співробітник, завідувач відділу вібраційних і термоміцнісних конструкцій, Інсти-тут проблем машинобудування ім. М. Підгорного НАН України, Україна
  • Ie. Іu. Misiura кандидат технічних наук, доцент кафедри вищої математики та економіко-математичних методів, Харківський національний економічний університет ім. С. Кузнеця, Україна

Ключові слова:

кришка, поворотно-лопатева гідротурбіна, штатний режим роботи, оптимізація

Анотація

Кришка гідротурбіни є просторовою циклічно-симетричною конструкцією, що складається з тонкостінних оболонок обертання, об'єднаних n-ребрами – меридіональними пластинами складної конфігурації. Оскільки кришка являє собою просторову конструкцію, що складається з тонкостінних елементів, застосовується теорія тонких пластин і оболонок. Задача полягає у дослідженні НДС вихідної та модифікованої кришки поворотно–лопатевої гідротурбіни при дії статистичного осесиметричного навантаження і розв'язується методом скінченних елементів. Дослідження НДС таких конструкцій починається з побудови моделі сектору, з яких складається досліджуваний об'єкт. При побудові моделі сектора спочатку задаються ключові точки в площині ребра, за якими будуються лінії, потім створюється модель ребра. Для отримання оболонкових частин конструкції і повної моделі сектору лінії перетину ребра і поверхонь оболонок повертаються за і проти годинникової стрілки на кут 360/(2n), де n – кількість секторів. На границях сусідніх секторів виконуються умови циклічної симетрії. Модель розбивається на скінченні елементи (трикутний пружний оболонковий скінченний елемент з трьома вузлами), після чого на границях з сусідніми секторами вводяться умови циклічної симетрії, а також умови закріплення та навантаження конструкції. Метою роботи є створення методики розрахунку просторових циклічно-симетричних конструкцій (кришки гідротурбіни) з радіальними ребрами. Розрахунки кришки поворотно-лопатевої гідротурбіни виконані для штатного режиму роботи, враховуючи вагові та розподілені гідравлічні навантаження. Виявлено, що у вихідній та модифікованій конструкціях максимальні напруження виникають в ребрах, які розташовані в коробі, де проходять лопатки направляючого апарату та не перевищують допустимих значень. Отримані результати демонструють можливість проведення оптимізації кришок методами нелінійного математичного програмування на стадії проектування з метою поліпшення їх міцності, зниження матеріаломісткості без погіршення експлуатаційних і технологічних характеристик.

Посилання

Serkov V. S. Rol, zadachi i problemy razvitiya standartizacii v obespechenii bezopasnosti obektov gid-roenergetiki. Gidrotehnicheskoe stroitelstvo. 2010. № 7. P. 60-63.

Lobanovskij Yu. I. Avtokolebaniya napornyh sistem i razrushenie gidroagregatov. Gidrotehnicheskoe stroitelstvo. 2010. № 7. P. 39-45.

Ivanchenko I.P., Voevodin S.I., Prokopenko A.N. Nat-urnye issledovaniya gidrodi-namicheskih nagruzok, dejstvuyushih na krepezh kryshki turbiny. Gidroenergetika. 2012. № 3 (28). P. 5-11.

Avdyushenko A.Yu., Chyornyj S.G., Chirkov D.V. Metod rascheta osevyh i radialnyh nagruzok na rabochee koleso gidro-turbiny v nestacionarnom potoke. Vychislitelnye tehnologii. 2013. Vol. 18, № 4. P. 3-23.

Smetankina N.V., Misyura S.Yu., Linnik A.V. Vliyanie predvaritelno napryazhennogo sostoyaniya na chastoty nesushih konstrukcij gidroturbin. Visnik NTU «KhPI». Seriya: Dinamika i micnist mashin. Kharkiv: NTU «KhPI». 2018. Vol. 1, № 38. P. 42-48.

Veremeenko I.S., Kantor B.Ya., Medvedovskaya T.F., Rzhevskaya I.E., Andryushenko S.A. Prochnost, dinamika nesushih konstrukcij i rabochih koles radialnoosevyh gidroturbin. Aviacionno-kosmicheskaya tehnika i Tehnologiya. 2005. № 9 (25). P. 97-101.

Kantor B.Ya., Andryushenko S.A., Misyura S.Yu. issle-dovanie napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya kryshki gidroturbiny i vozmozhnostej sovershenstvovaniya ee konstrukcii. Visnik NTU «KhPI». Seriya: Dinamika i micnist mashin. Kharkiv: NTU «KhPI». 2010. № 69. P. 58-67.

Zhang L., Sun K., Luo Q.-J. Hydrodynamic design of diversion cover for a tidal-stream hydro turbine. Journal of Harbin Engineering University. 2007. Vol. 28. No 7. P. 734-737.

Chen Z., Wang J., Liu H. Three-dimensional numerical analysis of flow-induced vibration in turbomachinery. J. Fluids Eng. 1999. Vol. 121, No 4. P. 804-807.

Bisen D., Shukla S., Sharma P.K. Optimization and Simulation of Hydro-Turbine Nozzle in Based on Ansys Analysis. Int. J. of Advance Engineering and Research Development. 2014. Vol. 1, iss. 10. P. 5-13.

Angra S., Kumari M., Kumar M. Structural analysis of hydroturbine head cover using ANSYS. Int. J. of Mechanical and Mechatronics Engineering. 2015. Vol. 9, No. 3. P. 1-15.

Medvedovskaya T., Strelnikova E., Medvedyeva K. Free hydroelastic vibrations of hydroturbine head covers. Int. J. Eng. and Advanced Research Technology. 2015. Vol. 1, No 1. P. 45-50.

Strelnikova E.A., Medvedovskaya T.F., Medvedeva E.L., Linnik F.V., Zelenskaya O.N. Use of computer technologies in modernization of head covers for PL 20-B-500 Kaplan tur-bines. J. Mech. Eng. 2018. Vol. 21, No 1. P. 35-44.

Jia Y., Li F.-Ch., Wei X.-Zh., Li X.-B., Li Zh.-H. A method for analysis of head cover deformation and vibration amplitude in Francis hydro-turbine system by combination of CFD and FEA. J. of Mechanical Science and Technology. 2017. Vol. 31, iss. 9. P. 4255-4266.

##submission.downloads##