Computer modeling of the stress state and reliability assessment of bolted connections of the rotor and runner of kaplan turbines

Abstract

This study presents a comprehensive theoretical assessment of the deformed state and stresses in the bolted joints of the runner and shaft of the hydroturbine. The investigation is motivated by the need to understand the structural behavior of these critical components under varying operational conditions. The primary purpose of this research is to evaluate the theoretical aspects of the bolted joints hydro-turbine, emphasizing the impact of tightening technology on the deformed state and stress distribution. A comprehensive review of literature, drawings, material properties, and acting loads of the bolted connection for turbines is conducted, estimating loads during normal operation and load rejection. A detailed nonlinear finite element model of the bolted joint is built, considering a 3D bolt model and runner fragments. The model incorporates nonlinear effects such as contact interaction and plasticity of the material during deformation. A methodology for modeling bolted joint tightening technology is developed, allowing estimation of bolt pre-operation stress and deformed states. Error estimation and model validation are performed through a comparative analysis of models with different meshes. Stresses arising at different tightening levels are determined, showcasing the non-linear effect on bolt stresses. The study reveals that the maximum numerical error in stress estimation does not exceed 5.2%. Stresses at different tightening levels demonstrate a nonlinear response, with significant reductions and increases corresponding to tightening deviations. Estimated stresses in the main operating loading cycle provide insights into the amplitude and average stress values during normal operation and load rejection. The study estimates a significant number of cycles before the initiation of a fatigue crack, equivalent to approximately 142 years of operation.У цьому дослідженні представлено комплексну теоретичну оцінку деформованого стану та напружень у болтових з'єднаннях робочого колеса та валу гідротурбіни. Розслідування мотивовано необхідністю зрозуміти структурну поведінку цих критичних компонентів за різних умов експлуатації. Основною метою цього дослідження є оцінка теоретичних аспектів болтових з'єднань у гідротурбіні, підкреслюючи вплив технології затягування на деформований стан і розподіл напруги. Проведено комплексний огляд літератури, креслень, властивостей матеріалів та діючих навантажень болтового з'єднання для турбін, оцінюючи навантаження під час нормальної роботи та відхилення навантаження. Побудовано детальну нелінійну cкінчено-елементну модель болтового з'єднання з урахуванням тривимірної моделі болта та фрагментів робочого колеса. Модель включає нелінійні ефекти, такі як контактна взаємодія та пластичність матеріалу під час деформації. Розроблено методику моделювання технології затягування болтового з'єднання, що дозволяє оцінити передексплуатаційні напруження та деформований стан болта. Оцінка похибок і перевірка моделі виконуються шляхом порівняльного аналізу моделей з різними сітками. Визначаються напруження, що виникають при різних рівнях затягування, демонструючи нелінійний вплив на напруги болтів. Дослідження показує, що максимальна числова похибка в оцінці напруги не перевищує 5,2%. Напруги на різних рівнях затягування демонструють нелінійну реакцію зі значними зменшеннями та збільшеннями, що відповідають відхиленням затягування. Розрахункові напруги в основному робочому циклі навантаження дають уявлення про амплітуду та середні значення напружень під час нормальної роботи та скидання навантаження. Дослідження оцінює значну кількість циклів до появи втомної тріщини, що еквівалентно приблизно 142 рокам експлуатації.