摘 要:對于高水頭水輪機(jī)的進(jìn)水球閥,在各種運(yùn)行工況下的安全性和球閥使用時的可靠性對于整個機(jī)組有決定性的影響。因此,球閥的各個部件必須要計(jì)算的足夠精準(zhǔn),球閥密封環(huán)和密封座的變形要計(jì)算的足夠準(zhǔn)確,才能夠幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
關(guān)鍵詞:球閥;密封;有限元
1 模型描述
根據(jù)常用的高水頭球閥的結(jié)構(gòu)形式,建立其三維實(shí)體模型,模型包括球閥閥體、活門、上下連接管及其連接螺栓、檢修密封環(huán)和工作密封環(huán)。在有限元前處理軟件hypermesh中進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分,在該有限元模型中共包括節(jié)點(diǎn)723055個,單元911557個,有限元模型的各個部件均采用六面體單元進(jìn)行劃分,只有球閥活門遠(yuǎn)離樞軸位置采用四面體單元。各部件之間按照工作關(guān)系建立接觸行為。密封環(huán)周圍由于有密封,密封環(huán)和連接環(huán)及閥體之間采用無摩擦接觸進(jìn)行仿真。按照不同工況施加載荷和約束,模型中考慮到連接螺栓的預(yù)緊力,計(jì)算時考慮到球閥最大水壓和升壓水頭工況下密封環(huán)正常投入、活門全開時的最大水頭升壓水頭、檢修密封投入時球閥受到最大水壓。
球閥整體分析計(jì)算屬于大型裝配結(jié)構(gòu)的有限元仿真,存在以下幾個問題:(1)由于部件尺度差別大,有限元仿真模型的網(wǎng)格質(zhì)量要求比較高,同時,網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量多,計(jì)算時將耗費(fèi)時間,計(jì)算成本較高;(2)模型中接觸行為較多,而且,有幾個單獨(dú)部件屬于懸空狀態(tài),因此,模型的收斂性很差,需要多次進(jìn)行模型調(diào)整才可以保證計(jì)算順利;(3)對于計(jì)算出來的結(jié)果,必須進(jìn)行準(zhǔn)確性的判斷,同時,也要調(diào)整模型,使得網(wǎng)格和有限元模型的差別引起計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生偏差的量最小。(4)計(jì)算結(jié)果的評價標(biāo)準(zhǔn)的判別。
2 有限元計(jì)算結(jié)果
在正常的工作密封投入,機(jī)組受到最大水頭工況作用時,球閥的內(nèi)部相對應(yīng)位置將受到水壓力作用;密封環(huán)受到密封壓力的作用,激活密封環(huán)與密封座之間的接觸行為。在下連接管位置施加軸向約束,球閥閥體地腳位置施加數(shù)值方向的約束,機(jī)組的截面施加對稱約束,進(jìn)行有限元計(jì)算。
2.1 球閥計(jì)算結(jié)果
經(jīng)過計(jì)算,球閥最大變形是活門由于水壓造成的,最大的軸向變形量為1.86mm。
2.2 密封環(huán)計(jì)算結(jié)果
經(jīng)過計(jì)算,在正常的工作密封投入,機(jī)組受到最大水頭工況作用時,密封環(huán)的最大綜合應(yīng)力為139MPa。主要是由于密封座與密封環(huán)接觸產(chǎn)生的接觸擠壓應(yīng)力。
經(jīng)過計(jì)算,密封環(huán)受到的密封接觸壓力為176.8MPa,也就是說明,在密封環(huán)與密封座相接觸的位置,存在一個接觸區(qū)域,該區(qū)域的最大接觸壓力為176.8MPa,密封環(huán)的剛度設(shè)計(jì)可以滿足球閥在關(guān)閉時,能夠具有良好的封水性能。
沿著路徑,考察密封環(huán)的接觸狀態(tài)。密封面接觸壓力為106MPa到172MPa之間;在水壓力的作用下,密封環(huán)的密封面的軸向相對變形在1.08mm到0.65mm之間。如果密封座的變形超過這些值,那么說明密封效果會產(chǎn)生失效的可能。
經(jīng)過計(jì)算,取出密封環(huán)的密封面橫截面,考察接觸壓力沿著密封面法向的變化趨勢,發(fā)現(xiàn)有接觸壓力的范圍為35mm~57mm,也就是接觸面的寬度有22mm以上。
2.3 活門計(jì)算結(jié)果
經(jīng)過計(jì)算,計(jì)算結(jié)果顯示,在封水工況時,球閥活門的最大軸向絕對變形為1.86mm。
經(jīng)過計(jì)算,樞軸根部的最大綜合應(yīng)力為272.0MPa。應(yīng)力水平很高,在球閥的設(shè)計(jì)時,還要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,來降低其關(guān)鍵部位的強(qiáng)度水平。
去除掉樞軸,活門本體的最大綜合應(yīng)力為91.0MPa。相對材料來說,應(yīng)力水平較低,活門本身滿足強(qiáng)度要求。
3 結(jié)束語
通過對實(shí)例球閥的計(jì)算研究,找到了一個新的球閥計(jì)算方法,該方法基于大型非線性有限元軟件的仿真計(jì)算,利用豐富的接觸選項(xiàng)和非線性計(jì)算特點(diǎn),成功的一次性進(jìn)行球閥整體模型的求解。成功的得到了常規(guī)關(guān)心的閥體、活門及樞軸、連接管、連接螺栓等部件的強(qiáng)度和變形分析結(jié)果,而且得到了球閥密封效果的決定性因素:密封環(huán)和密封座的變形以及相互之間的接觸應(yīng)力分布情況、有效的接觸面積,為以后的高水頭球閥設(shè)計(jì)和優(yōu)化打下很好的研究基礎(chǔ)。