Раціональне моделювання кришки гідротурбіни для аналізу міцності

Abstract

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 тарозподілені 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.

A hydroturbine cover is a spatial cyclic-symmetrical structure consisting of thin-walled rotation shells forming n-ribs or meridional plates of complex configuration. Since the cover is a spatial structure consisting of thin-walled elements, the theory of thin plates and shells is used. The problem consists in an investigation of stress-strain state of the initial and modified cover of a rotary-blade hydraulic tur-bine under the influence of a statistical axisymmetric load and it is solved by the finite element method. This investigation starts with the construction of a sector model, which forms a hydroturbine cover. At constructing a sector model the key points in the plane of the edge are defined forming the lines, and then an edge model is created. To obtain the shell parts of the structure and the complete sector model, the intersection lines of the ribs and shell surfaces are rotated clockwise and counterclockwise by 360°/(2n), where n is the number of sectors. Cyclic symmetry conditions are satisfied at the borders of neighboring sectors. The model is divided into finiteelements (triangular elastic shell finite element with three nodes is used). Then cyclic symmetry conditions and fixing and loading conditions of the structure are introduced at the borders with neighboring sectors. The goal of this paper is to develop a methodology for calculating spatial cyclically symmetric structures (hydroturbine cover) with radial ribs. Calculations for a rotary-blade hydraulic turbine have been performed for a fully functioning state, taking into account the weight and distributed hydraulic loads. Ithas been established that the maximal stresses occur in the ribs, which are located in the box, where the blades are moved, and do not exceed the permissible (limiting) values in the initial and modified constructions.The obtained results demonstrate the possibility of optimizing coversusing nonlinear mathematical programming methods at the design stage in order to improve their strength, decrease a material consumption without reducing working and technological characteristics.