Контактное взаимодействие элементов внутреннего корпуса паровой турбины при пластическом деформировании

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.03.034
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 24, № 3, 2021 (сентябрь)
Страницы 34–44

 

Авторы

С. А. Пальков, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199), e-mail: sergpalkov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-2215-0689

И. А. Пальков, Акционерное общество «Турбоатом» (61037, Украина, г. Харьков, пр. Московский, 199), e-mail: igorpalkov1987@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4639-6595

 

Аннотация

Изучается вопрос влияния пластичности материалов конструкции на характер контактного взаимодействия ее элементов при эксплуатации. Решается задача о напряженно-деформированном состоянии внутреннего корпуса цилиндра высокого давления паровой турбины, рассчитанной на сверхкритические параметры пара (более 240 ата и 565 °С). Решение задачи осуществляется путем использования конечно-элементного программного комплекса. Рассмотрена модель термопластичности с кинематическим и изотропным упрочнением. При проведении исследования для материалов соединения используются экспериментальные кривые деформирования. Приведены основные зависимости, используемые при решении поставленной задачи. Методика решения термоконтактной задачи взаимодействия элементов фланцевого соединения в условиях пластичности базируется на применении модели контактного слоя. Для возможности учета изменений нагрузки в процессе совместной деформации как крепежа, так и корпуса впервые предложена методика трехмерного моделирования термозатяжки крепежа горизонтального разъема корпуса благодаря применению приведенного коэффициента линейного расширения материала. Предложенный подход позволяет моделировать напряжения начальной затяжки шпилек путем задания фиктивного изменения (уменьшения) коэффициента линейного расширения шпильки, заданного как отдельное тело в расчетной схеме. Значение указанного изменения коэффициента линейного расширения определено из зависимости между напряжением начальной затяжки в шпильке и необходимым для его создания удлинением, реализованным в расчетной схеме наличием различных величин линейного расширения шпильки и корпуса. Для проведения численного эксперимента построено упорядоченную конечно-элементную сетку модели корпуса. При построении сетки элементов корпуса и крепления использовано 20-узловой конечный элемент. Учитывается действие силовых нагрузок и температурного поля, в котором эксплуатируется рассматриваемый элемент конструкции. Проведен анализ результатов распределения эквивалентных напряжений и контактного давления во время эксплуатации. Отмечено отличие полученных результатов по сравнению с результатами решения задачи в упругой постановке.

 

Ключевые слова: турбина, фланцевое соединение, корпус, напряженное состояние, контактное взаимодействие, пластичность.

 

Литература

  1. Mohamed O., Khalil A., Wang J. Modeling and control of supercritical and ultra-supercritical power plants: A review. Energies. 2020. Vol. 13. No. 11. P. 29–35. https://doi.org/10.3390/en13112935.
  2. Di Gianfrancesco A. (Eds.) Materials for ultra-supercritical and advanced ultra-supercritical power plants. Woodhead Publishing. 2017. 876 p. https://doi.org/10.1016/C2014-0-04826-5.
  3. Arkadyev B. A. Features of steam turbine cooling by the example of an SKR-100 turbine for supercritical steam parameters. Therm. Eng. 2015. Vol. 62. P. 728–734. https://doi.org/10.1134/S004060151510002X.
  4. Шульженко Н. Г., Гонтаровский П. П., Зайцев Б. Ф. Задачи термопрочности, вибродиагностики и ресурса энергоагрегатов (модели, методы, результаты исследований). Saarbrücken, Germany: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co.KG, 2011. 370 с.
  5. Breslavs’kyi D. V., Korytko Y. M., Morachkovs’kyi O. K. Cyclic thermal creep model for the bodies of revolution. Strength Materials. 2011. Vol. 43. Iss. 2. Article 134. https://doi.org/10.1007/s11223-011-9279-8.
  6. Lvov G., Lysenko S., Gorash E. Creep and creep-rupture strength of gas turbine components in view of nonuniform temperature distribution. Strength Materials. 2008. Vol. 40. Iss. 5. P. 525–530. https://doi.org/10.1007/s11223-008-9066-3.
  7. Chernousenko O., Rindyuk D., Peshko, V., Goryazhenko V. Development of a technological approach to the control of turbine casings resource for supercritical steam parameters. Eastern-European J. Enterprise Techn. 2018. Vol. 2. No. 1 (92). P. 51–56. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.126042.
  8. Пальков І., Пальков С. Напружено-деформований стан елементів парових турбін в умовах пластичного деформування. Ядерна та радіаційна безпека. 2020. Т. 4 (88). С. 14–17. https://doi.org/10.32918/nrs.2020.4(88).02.
  9. Palkov S., Shulzhenko M. Elastic stress-strain state of elements of the internal high-pressure casing for steam turbines. J. Mech. Eng. – Problemy mashynobuduvannia. 2019. Vol. 22. P. 32–40. https://doi.org/10.15407/pmach2019.04.032.
  10. Laxminarayan K., Reddy B., Kumar O. Optimization of steam turbine casing for static loading condition. Intern. J. Materials Sci. and Eng. 2014. Vol. 35. P. 28–37. https://doi.org/10.12720/ijmse.1.2.122-126.
  11. Bagaviev A. Integrity assessment of high pressure steam turbine casing. Materials at High Temperatures. 2011. Vol. 28. Iss. 3. P. 205–211. https://doi.org/10.1179/096034011X13123717298084.
  12. Dhananjaya Rao P., Sarkar A., Sastri V. M. K. Finite element analysis of the three-dimensional transient temperature field in steam turbine casings. Int. J. Mech. Sci. 1993. Vol. 35. Iss. 7. P. 587–595. https://doi.org/10.1016/0020-7403(93)90003-D.
  13. Rout I., Gaikwad A., Verma V., Tariq M. Thermal analysis of steam turbine power plants. J. Mech Civ. Eng. 2013. Vol. 7. Iss. 2. P. 28–36. https://doi.org/10.9790/1684-0722836.
  14. McFarlane B. Autodesk inventor exercises: For Autodesk® inventor® and other feature-based modelling software (1st ed.). London: Routledge, 2017. 434 p. https://doi.org/10.4324/9781315725802.
  15. Zienkiewicz O. C., Taylor R. L., Fox D. D. The finite element method for solid and structural mechanics: 7th edn. Butterworth-Heinemann, Oxford. 2014. 415 p.
  16. Kostikov A., Palkov S. Contact Deformation of the Pipeline Sealing Unit. J. Mech. Eng. – Problemy mashynobuduvannia. 2020. Vol. 23. No. 4. P. 52–62. https://doi.org/10.15407/pmach2020.04.052.
  17. Benkhira El-H., Fakhar R., Mandyly Y. Numerical approximation of a frictional contact problem in elasto_plasticity based on the penalty approach. ZAMM J. Appl. Mathematics and Mechanics: Zeitschrift für angewandte Mathematik und Mechanik. 2019. Vol. 99. Iss. 12. Article e201800300. https://doi.org/10.1002/zamm.201800300.
  18. Stein E. Adaptive finite elements in linear and nonlinear solid and structural mechanics. In CISM International Centre for Mechanical Sciences. Springer, 2005. 363 p. https://doi.org/10.1007/3-211-38060-4.
  19. Jaszak P., Adamek K. Design and analysis of the flange-bolted joint with respect to required tightness and strength. Open Eng. 2019. Vol. 9. Iss. 1. P. 338–349. https://doi.org/10.1515/eng-2019-0031.
  20. Hwang, D., Stallings J. Finite element analysis of bolted flange connections. Computers & Structures. 1994. Vol. 51. Iss. 5. Р. 521–533. https://doi.org/10.1016/0045-7949(94)90059-0.
  21. Wegst M., Wegst C. Stahlschlüssel – Key to Steel 2019: Nachschlagewerk Dt./Engl./Franz; Stahlschlüssel-Verlag: Marbach, Germany, 2019. 1058 p.
  22. Chaboche J. L. On some modification of kinematic hardening to improve the description of ratcheting effects. Intern. J. Plasticity. 1991. Vol. 7. Iss. 7. P. 661–678. https://doi.org/10.1016/0749-6419(91)90050-9.
  23. Pei X., Dong P., Mei J. The effects of kinematic hardening on thermal ratcheting and Bree diagram boundaries. Thin-Walled Structures. 2021. Vol. 159. Article 107235. https://doi.org/10.1016/j.tws.2020.107235.

 

Поступила в редакцию 04 августа 2021 г.