Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин
На основе трехмерных конечноэлементных моделей разработана методика анализа пространственного
 напряженно-деформированного состояния системы статор-спиральная
 камера гидромашин. Методика позволяет определять напряжения и зоны их локализации в
 конструкциях, имеющих не только...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2007 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2007
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48005 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная
 камера гидротурбин / Ю.С. Воробьев, В.Н. Романенко, Л.Г. Романенко // Проблемы прочности. — 2007. — № 1. — С. 132-137. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860125056288423936 |
|---|---|
| author | Воробьев, Ю.С. Романенко, В.Н. Романенко, Л.Г. |
| author_facet | Воробьев, Ю.С. Романенко, В.Н. Романенко, Л.Г. |
| citation_txt | Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная
 камера гидротурбин / Ю.С. Воробьев, В.Н. Романенко, Л.Г. Романенко // Проблемы прочности. — 2007. — № 1. — С. 132-137. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | На основе трехмерных конечноэлементных моделей разработана методика анализа пространственного
напряженно-деформированного состояния системы статор-спиральная
камера гидромашин. Методика позволяет определять напряжения и зоны их локализации в
конструкциях, имеющих не только идентичные, но и подобные элементы. Схема визуализации
результатов позволяет определить места локализации напряжений в системе и ее
элементах.
На основі тривимірних скінченноелементних моделей розроблено методику
аналізу просторового напружено-деформованого стану системи статор-спі-
ральна камера гідромашин. За допомогою методики можна визначати напруження
і зони їхньої локалізації в конструкціях, що мають не тільки ідентичні,
але й подібні елементи. Візуалізація результатів дозволяє визначити
місця локалізації напружень у системі та її елементах.
Based on three-dimensional finite-element models,
we developed the technique of 3D
stress-strain state analysis of the stator-water
turbine scroll system. The proposed technique
allows one to evaluate stresses and zones of
their localization in the structures having not
only identical, but also similar components. The scheme of visualization of the calculated
results allows one to define places of stress localization
in the system and its components.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:41:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ
РАЗДЕЛ
УДК 624.07:534.1
Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная
камера гидротурбин*
Ю . С. В оробьева, В. Н . Р ом ан ен коа, Л . Г. Р ом ан ен ко6
а Институт проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного НАН Украины, Харьков,
Украина
б Харьковский национальный автодорожный технический университет, Харьков,
Украина
На основе трехмерных конечноэлементных моделей разработана методика анализа про
странственного напряженно-деформированного состояния системы статор-спиральная
камера гидромашин. Методика позволяет определять напряжения и зоны их локализации в
конструкциях, имеющих не только идентичные, но и подобные элементы. Схема визуали
зации результатов позволяет определить места локализации напряжений в системе и ее
элементах.
К л ю ч е в ы е сло ва : трехмерная конечноэлементная модель, напряжения, сис
тема статор-спиральная камера гидромашин.
Узел статор-спиральная камера гидроагрегата является одним из самых
ответственных со сложной геометрией и большими разбросами размеров.
Чтобы избежать повышенной материалоемкости конструкции, необходимо
знать распределение перемещений и напряжений в ней. Поэтому при проек
тировании конструкций подобного типа особые требования предъявляются
к прочностным расчетам.
Применение упрощенных схем расчета [1-3] узла, представляющего
собой геометрически сложную единую деформируемую систему, вносит в
результаты большие погрешности. Правильно поставленный эксперимент
позволяет получить реальную картину распределения напряжений и дефор
маций в исследуемой конструкции, однако является трудоемким и дорогим.
Кроме того, он может быть поставлен только после изготовления конструк
ции или ее модели. Поэтому, как правило, экспериментальные данные
используются для проверки достоверности и усовершенствования расчет
ных методик. Для выбора рациональной конструкции необходимы много
вариантные расчеты. Благодаря быстрому развитию вычислительной техни
ки и численных методов можно разрабатывать новые методики, удовлетво
ряющие требованиям точности и для таких сложных конструкций.
* По материалам доклада на международной научно-технической конференции “Динамика,
прочность и ресурс машин и конструкций” (1-4 ноября 2005 г., Киев, Украина).
© Ю. С. ВОРОБЬЕВ, В. Н. РОМАНЕНКО, Л. Г. РОМАНЕНКО, 2007
132 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1
Анализ локализации напряжений
Исследуемый узел статор-спиральная камера (рис. 1) представляет
собой систему, которая не обладает симметрией, что позволяет существенно
упростить задачу. При этом пространственный узел подвержен интенсив
ным статическим и динамическим нагрузкам, закон распределения которых,
как правило, является сложным. В результате при эксплуатации возникают
зоны напряжений, существенно отличающиеся по величине. Основную опас
ность для конструкции представляет не средний уровень напряжений, а их
локальные всплески, обусловленные сложной формой объекта. Наиболее
адекватное решение задачи прочности для таких конструкций возможно в
рамках построения уточненной трехмерной математической модели. Трех
мерные модели в сочетании с методом конечных элементов (МКЭ) позво
ляю т максимально учитывать особенности геометрии конструкции, полу
чить полную картину распределения напряжений и выявить зоны локали
зации напряжений [4, 5].
Рис. 1. Общий вид и сетка конечных элементов для расчетного узла.
Геометрия конструкции обладает симметрией только относительно гори
зонтальной плоскости. Внутренняя часть узла (статор) может быть рассмот
рена как циклосимметричная конструкция. Спиральная камера - это тонко
стенная оболочка с переменными толщиной и внешним радиусом, и только в
упрощенных расчетах ее можно рассматривать как тороидальную [1-3].
Входная часть конструкции - эллиптическая оболочка.
При решении задачи рационально использовать 20-узловой изопараметри-
ческий конечный элемент (КЭ). Такой же элемент был использован при
разработке программного комплекса для решения задач статической и дина
мической прочности как отдельных элементов турбомашин (лопатки различ
ной конфигурации с полками и хвостовиками, лопасти гидротурбин и т.п.),
так и систем с поворотной симметрией (облопаченные диски паровых и
газовых турбин, рабочие колеса гидротурбин) [4-8]. Криволинейные грани
элемента позволяют наиболее точно описать конфигурацию всех сложных
элементов конструкции. При сочетании в едином расчетном объекте массив
ных и тонкостенных элементов этот КЭ позволяет достаточно точно описать
их сложную геометрию с единых позиций. С помощью трехмерных моделей в
отличие от оболочечных можно более точно определять напряжения в местах
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1 133
Ю. С. Воробьев, В. Н. Романенко, Л. Г. Романенко
сопряжения тонкостенных элементов с массивными телами, которые, как
правило, наиболее опасны в конструкциях.
В большинстве коммерческих пакетов напряжения экстраполируются в
узлы, затем осредняются либо по элементам, либо по внешним граням,
содержащим эти узлы. В данной работе напряжения в узлах определяются
следующим образом. Находится непрерывная функция, которая аппрокси
мируется функциями формы. Эта функция наилучшим образом аппроксими
рует напряжения в точках Гаусса в смысле среднего квадратичного откло
нения. При этом К раз реш ается система N уравнений, где N - число
точек; К - число напряжений.
При решении задачи статического деформирования конструкции исполь
зовали два подхода. М атематическую модель строили как для всей конструк
ции, так и для отдельных подконструкций. Это позволяло проводить расчет
по частям, что более рационально при ограниченных вычислительных ресур
сах. Отметим, что система содержит не одинаковые, а только подобные
части. Поэтому прием снижения размерности системы с одинаковыми (иден
тичными) элементами не может быть прямо использован. Несмотря на это, в
конструкции можно выделить топологически подобные элементы, что позво
ляет упростить решение задачи. Каждый сектор конструкции имеет одина
ковый угол раствора а и внутреннюю часть - сектор (рис. 2), общий вид и
сетка конечных элементов для которой представлены на рис. 1.
К
Рис. 2. Схема базового сектора.
Зная топологию базового сектора, определяем координаты точек осталь
ных секторов при условии, что сектора одинаковы:
* к + т = Ук 81п(га ) + х к соэ(га);
Ук+N = Ук с о < га) - Хк 5ш(га);
2к+ № ~ 2 к ,
где Х к , У к , 2 к - текущие координаты в базовом секторе; N - количество
точек в секторе; г - номер рассматриваемого сектора (от 0 до 18).
С помощью установленных координат определяем для каждой точки ее
расстояние до оси конструкции. Для точек, у которых это расстояние больше
Я (рис. 2), находим новое (реальное) расстояние до оси вращения, используя
при этом специальный множитель:
134 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1
Анализ локализации напряжений
Е к+ т = Е + (Е к+ т - Е )/ ( а ) ’
/ ( а ) = (а г ^ ( у к + № / х к+N1 ) - 1,5)/ 6-
Далее определяем координаты для этих точек:
х м = х + А х / ' ( а );
У м = У + А У/ ( а ) ;
г м = г / ( а ) .
Значения Ах и Ау определяют разницу между радиусом рассматри
ваемой точки и внешним радиусом статора (Е). Внутренняя часть узла
статор-спиральная камера гидротурбины представляет собой цикло симмет
ричную конструкцию, координаты точек которой определяются путем прос
того поворота на угол а № . В этом случае использованы все преимущества
цикло симметричности при хранении информации при расчетах.
Представление конструкции в виде связных элементов (секторов) удоб
но, поскольку каждый конструктивный элемент определяется относительно
небольшим числом геометрических параметров. Это дает возможность авто
матизировать задание исходных данных, что для расчетов М КЭ является
одной из главных задач. Программный пакет позволяет учитывать особен
ности геометрии узла статор-спиральная камера гидротурбины, различные
варианты граничных условий, обеспечивает графическое представление
исходных данных и результатов расчетов. В работе большое внимание
уделяется визуализации математической модели объекта и его напряженно-
деформированного состояния в виде полей перемещений и напряжений,
благодаря чему можно наглядно представить результаты и упростить их
анализ. Используется также цифровое указание значений перемещений и
напряжений в характерных точках. Визуализация является единственно воз
можным методом анализа напряженно-деформированного состояния при
расчете таких конструкций МКЭ.
Был проведен расчет конструкции при действии на ее внутреннюю
поверхность постоянного давления. Определены поля перемещений и напря
жений, выявлены наиболее опасные зоны. Симметрия конструкции относи
тельно горизонтальной плоскости позволяет демонстрировать ее половину.
В результате проведенного расчета обнаружены большие градиенты пере
мещений в области соединения тонкостенных элементов спиральной камеры
с массивными элементами статора.
Рис. 3 иллюстрирует распределение полей напряжений в наиболее
нагруженной части конструкции. М аксимальные напряжения соответствуют
зонам наибольших градиентов перемещений и возникают в местах соеди
нения спиральной камеры со статором, а также в области соединения
наименьшего сечения спиральной камеры с входным патрубком (в области
“зуба” спиральной камеры). Характер распределения напряжений в верти
кальном сечении спиральной камеры соответствует результатам расчетов по
известным методикам [1-3]. Однако использование данного метода позво
ляет увидеть всю картину полей напряжений в конструкции с учетом
геометрических особенностей элементов и их взаимодействия.
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1 135
Ю. С. Воробьев, В. Н. Романенко, Л. Г. Романенко
Рис. 3. Поля напряжений в наиболее нагруженной части конструкции.
Рис. 4. Распределение напряжений в зонах сопряжения статора, колонн и спиральной
камеры.
На рис. 4 показаны поля напряжений в отдельных частях конструкции,
где локализация напряжений обнаруживается наиболее явно.
В ы в о д ы
1. Н а основе трехмерных конечноэлементных моделей разработана
методика анализа пространственного напряженно-деформированного состоя
ния системы статор-спиральная камера турбомашин.
136 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, N 1
Анализ локализации напряжений
2. Для повышения эффективности метода используются приемы расчета
сложной системы по частям и наличие подобных частей системы.
3. Расчеты реальной конструкции позволяют выявить зоны локализации
напряжений и влияние на их уровень конструктивных особенностей системы.
Р е з ю м е
На основі тривимірних скінченноелементних моделей розроблено методику
аналізу просторового напружено-деформованого стану системи статор-спі-
ральна камера гідромашин. За допомогою методики можна визначати напру
ження і зони їхньої локалізації в конструкціях, що мають не тільки іден
тичні, але й подібні елементи. Візуалізація результатів дозволяє визначити
місця локалізації напружень у системі та її елементах.
1. А р о н с о н А . Я ., Г р и м з е Л . Б. и др . Некоторые результаты расчетов
напряженного состояния спиральных камер гидротурбин // Гидротурбо
строение. - 1969. - № 12. - С. 214 - 224.
2. К о в а л е в Н . Н . Проектирование гидротурбин. - Л.: М ашиностроение,
1974. - 278 с.
3. Ф р и д м а н Л . И ., Б о л о т н и к о в А . А . К расчету на прочность статора
высоконапорной гидротурбины // Гидравлические машины. - 1971. -
Вып. 4. - С. 109 - 114.
4. В о р о б ь е в Ю . С ., Ш еп елъ А . И ., Р о м а н е н к о Л . Г . и др. Конечноэлемент
ный анализ собственных колебаний статически напряженных лопаток
турбомашин // Пробл. прочности. - 1990. - № 7. - С. 88 - 94.
5. В е р е м е е н к о И . С ., В о р о б ь е в Ю . С ., И о с е ви ч И . И ., К а н и л о С. П . Влияние
локализации напряжений на ресурс рабочих колес радиально-осевых
турбин // Оценка и обоснование продления ресурса элементов конст
рукций: Тр. междунар. конф. (6 -9 июня 2000). - Киев. - С. 573 - 578.
6. В е р е м е е н к о И . С ., В о р о б ь е в Ю . С ., К а н и л о С. П . и др. М етод расчета на
прочность и колебания колес радиально-осевых гидротурбин: Сб. науч.
тр. ХГПУ. - Харьков: ХГПУ, 1999. - Вып. 7. - Ч. 3. - С. 15 - 21.
7. В е р е м е е н к о И . С ., В о р о б ь е в Ю . С ., К а н и л о С. П . и др. Численный анализ
локализации напряжений в рабочих колесах радиально-осевых гидро
турбин // Авиац. косм. техника и технология. - 1999. - Вып. 9. - С. 420
- 423.
8. В е р е м е е н к о И . С ., В о р о б ь е в Ю . С ., Р о м а н е н к о В. Н ., К а н и л о С. П.
М етод расчета НДС элементов узла статор-спиральная камера гидро
турбин // Совершенствование турбоустановок методами математичес
кого и физического моделирования: Сб. науч. тр. ИПмаш НАН У краи
ны. - Харьков. - С. 498 - 501.
Поступила 04. 11. 2005
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2007, № 1 137
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-48005 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:41:35Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Воробьев, Ю.С. Романенко, В.Н. Романенко, Л.Г. 2013-08-12T13:03:23Z 2013-08-12T13:03:23Z 2007 Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная
 камера гидротурбин / Ю.С. Воробьев, В.Н. Романенко, Л.Г. Романенко // Проблемы прочности. — 2007. — № 1. — С. 132-137. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48005 624.07:534.1 На основе трехмерных конечноэлементных моделей разработана методика анализа пространственного
 напряженно-деформированного состояния системы статор-спиральная
 камера гидромашин. Методика позволяет определять напряжения и зоны их локализации в
 конструкциях, имеющих не только идентичные, но и подобные элементы. Схема визуализации
 результатов позволяет определить места локализации напряжений в системе и ее
 элементах. На основі тривимірних скінченноелементних моделей розроблено методику
 аналізу просторового напружено-деформованого стану системи статор-спі-
 ральна камера гідромашин. За допомогою методики можна визначати напруження
 і зони їхньої локалізації в конструкціях, що мають не тільки ідентичні,
 але й подібні елементи. Візуалізація результатів дозволяє визначити
 місця локалізації напружень у системі та її елементах. Based on three-dimensional finite-element models,
 we developed the technique of 3D
 stress-strain state analysis of the stator-water
 turbine scroll system. The proposed technique
 allows one to evaluate stresses and zones of
 their localization in the structures having not
 only identical, but also similar components. The scheme of visualization of the calculated
 results allows one to define places of stress localization
 in the system and its components. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Производственный раздел Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин The analysis of stress localization in the stator-water turbine scroll system Article published earlier |
| spellingShingle | Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин Воробьев, Ю.С. Романенко, В.Н. Романенко, Л.Г. Производственный раздел |
| title | Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин |
| title_alt | The analysis of stress localization in the stator-water turbine scroll system |
| title_full | Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин |
| title_fullStr | Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин |
| title_full_unstemmed | Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин |
| title_short | Анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин |
| title_sort | анализ локализации напряжений в системе статор-спиральная камера гидротурбин |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/48005 |
| work_keys_str_mv | AT vorobʹevûs analizlokalizaciinaprâženiivsistemestatorspiralʹnaâkameragidroturbin AT romanenkovn analizlokalizaciinaprâženiivsistemestatorspiralʹnaâkameragidroturbin AT romanenkolg analizlokalizaciinaprâženiivsistemestatorspiralʹnaâkameragidroturbin AT vorobʹevûs theanalysisofstresslocalizationinthestatorwaterturbinescrollsystem AT romanenkovn theanalysisofstresslocalizationinthestatorwaterturbinescrollsystem AT romanenkolg theanalysisofstresslocalizationinthestatorwaterturbinescrollsystem |