Контактна взаємодія елементів внутрішнього корпусу парової турбіни при пластичному деформуванні

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.03.034
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 24, № 3, 2021 (вересень)
Сторінки 34–44

 

Автори

С. А. Пальков, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199), e-mail: sergpalkov@gmail.com, ORCID: 0000-0002-2215-0689

І. А. Пальков, Акціонерне товариство «Турбоатом» (61037, Україна, м. Харків, пр. Московський, 199), e-mail: igorpalkov1987@gmail.com, ORCID: 0000-0002-4639-6595

 

Анотація

Вивчається питання впливу пластичності матеріалів конструкції на характер контактної взаємодії її елементів під час експлуатації. Розв’язується задача про напружено-деформований стан внутрішнього корпусу циліндра високого тиску парової турбіни, розрахованої на надкритичні параметри пари (понад 240 ата і 565 °С). Розв’язання задачі здійснюється шляхом використання скінченно-елементного програмного комплексу. Розглянуто модель термопластичності з кінематичним та ізотропним зміцненням. Під час проведення дослідження для матеріалів з’єднання використано експериментальні криві деформування. Наведено основні залежності, що використовуються при розв’язанні поставленої задачі. Методика розв’язання термоконтактної задачі взаємодії елементів фланцевого з’єднання в умовах пластичності базується на застосуванні моделі контактного шару. Для можливості врахування змін навантаження від кріплення в процесі спільної деформації як кріплення, так і корпусу вперше запропоновано методику тривимірного моделювання термозатяжки кріплення горизонтального роз’єму корпусу завдяки застосуванню наведеного коефіцієнта лінійного розширення матеріалу. Запропонований підхід дозволяє моделювати напруження початкової затяжки шпильок шляхом задання фіктивної зміни (зменшення) коефіцієнта лінійного розширення шпильки, заданої як окреме тіло в розрахунковій схемі. Величина зазначеної зміни коефіцієнта лінійного розширення визначена із залежності між напруженням початкової затяжки в шпильці і необхідним для його створення видовженням, реалізованим в розрахунковій схемі наявністю різних величин лінійного розширення шпильки і корпусу. Для проведення чисельного експерименту побудовано впорядковану скінченно-елементну сітку моделі корпусу. При побудові сітки елементів корпусу та кріплення використано 20-вузловий скінченний елемент. Враховується дія силових навантажень та температурного поля, в якому експлуатується елемент конструкції, що розглядається. Проведено аналіз результатів розподілу еквівалентних напружень та контактного тиску під час експлуатації. Відзначено відмінність отриманих результатів порівняно з результатами розв’язання задачі в пружній постановці.

 

Ключові слова: турбіна, фланцеве з’єднання, корпус, напружений стан, контактна взаємодія, пластичність.

 

Повний текст: завантажити PDF

 

Література

  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.

 

Надійшла до редакції 04 серпня 2021 р.