ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ АНАЛИЗА ТЕРМОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

В настоящее время, в виду жесткой конкуренции на отечественном и мировом рынках, при создании нового оборудования актуальным является вопрос сжатия сроков проектирования за счет замены реальных процессов прототипирования, макетирования, испытаний – их виртуальными аналогами.

Для создания виртуальных твердотельных моделей проектируемого оборудования в ОАО «Сумское НПО им. Фрунзе» используется программный комплекс Pro/ENGINEER. Для анализа НДС конструкций большое внимание уделяется использованию численных методов. Метод конечных элементов, реализованный в программном комплексе ANSYS, становится основным инструментом анализа НДС.

В данной работе на примере анализа термонапряженного состояния корпуса паровой турбины показано применение комплексов Pro/ENGINEER и ANSYS.

В ОАО «Сумское НПО им. М. В. Фрунзе» разработана паровая турбина мощностью 5,36 МВт. Ротор турбины, заключенный во внутренний корпус, имеет 5 ступеней (радиальную и по две осевых с каждой стороны). Подготовленный пар при температуре t=360С и давлении Р=1,75 МПа подается на вход внутреннего корпуса паровой турбины. Отработавший пар, выходя из осевых ступеней, попадает в пространство между внутренним и наружным корпусом и направляется в выходной патрубок. На выходе из осевых ступеней температура пара составляет t1=50С при давлении Р=0,0122 МПа. Общий вид паровой турбины показан на рис. 1.

Вследствие большой разницы в температурах на внутренней и наружной стенках, а также действия давления, внутренний корпус паровой турбины является высоконагруженной деталью. Ввиду сложной геометрии внутреннего корпуса расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) и термонапряженного состояния конструкции проводился в трехмерной постановке. Для этого в системе объемного моделирования Pro/ENGINEER была создана трехмерная твердотельная виртуальная модель корпуса. Затем эта модель экспортировалась в пакет программ инженерного анализа ANSYS, где она была разбита на десяти узловые конечные элементы SOLID – 92.

Для определения температурных напряжений в корпусе вначале решалась стационарная задача теплопроводности. Для расчета температурных полей в корпусе задавались нагрузки в виде температур и коэффициентов теплоотдачи от пара к металлу, рассчитанных по критериальным уравнениям. Результаты расчета температурного поля и НДС от действия температурного поля показаны на рис. 4-5.

Затем был выполнен расчет НДС внутреннего корпуса от действия на него рабочего давления, а также получено поле эквивалентных напряжений от действия температурного поля и внутреннего давления.

Результаты расчета НДС от действия давления и поля эквивалентных напряжений в корпусе показаны на рис. 6-7.

Анализ напряженно-деформированного состояния внутреннего корпуса показал, что температурные напряжения являются преобладающими по сравнению с напряжениями от внутреннего давления. Высокий уровень температурных напряжений потребовал применения более прогрессивных норм при оценке прочности конструкции. Поэтому, оценка прочности проводилась согласно требованиям “Норм расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок”. В результате анализа результатов расчета термонапряженного состояния внутреннего корпуса турбины для ряда сталей, для изготовления корпуса, была выбрана сталь 06Х12Н3Д с пределом текучести равным 590 МПа и пределом прочности равным 650 МПа.

С целью исключения скачков температурных напряжений на режиме пуска при разогреве турбины перед пуском промышленным паром, температура которого составляет 250С, был проведен ряд расчетов по определению нестационарного температурного поля и температурных напряжений при различном времени разогрева. Графики изменения максимальных температурных напряжений в зависимости от времени разогрева показаны на рис. 8.

Анализ термонапряженного состояния корпуса паровой турбины при нестационарных режимах пуска позволил назначить промежуток времени разогрева корпуса, при котором уровень температурных напряжений является не опасным.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004