Использование компьютерных технологий при модернизации крышек гидротурбин типа ПЛ 20-В-500

Abstract

Одной из проблем, возникающих перед конструктором при модернизации действующих гидроагрегатов, является анализ возможности обеспечения прочности и надежности узлов и деталей турбины в условиях дальнейшей продолжительной работы под действием динамической нагрузки или их замена, оптимальная как по массе, так и по динамическим характеристикам. Решение этой проблемы возможно с использованием компьютерных технологий для исследования динамики несущих конструкций гидротурбин при разных режимах эксплуатации. В работе описаны методики, разработанные для исследования динамического напряженно-деформированного состояния крышки гидротурбины, которая воспринимает гидродинамическое давление, действующее на ее контактирующую с водой поверхность, а также веса размещенных на ее поверхности узлов и деталей. Впервые в трехмерной постановке учтено влияние присоединенных масс воды конструкции с применением математических моделей, основанных на гиперсингулярных уравнениях и сочетании методов конечных и граничных элементов. Разработаны пакеты прикладных программ, являющиеся мощным инструментом автоматизации при определении динамического напряженно-деформированного состояния крышки гидротурбины. Получены численные результаты, позволяющие оценить динамическое напряженно-деформированное состояние с учетом влияния воды находящейся в эксплуатации и подлежащей замене литой чугунной крышки гидротурбины ПЛ 20-В-500, а также разработанной для ее замены стальной сварной крышки. Выполнен анализ численного исследования и даны рекомендации для проектирования сварной крышки, динамические характеристики которой позволяют исключить резонансные явления и обеспечить эксплуатационную надежность. Примененные методики обоснованы нормативным документом «Розрахунок залишкового ресурсу елементів проточної частини гідротурбін ГЕС та ГАЕС. Методичні вказівки» СОУ-Н МЕВ 40.1 –21677681–51: 2011.

Описані методики, розроблені для дослідження динамічного напружено-деформованого стану кришки гідротурбіни, застосування яких обґрунтовано нормативним документом «Розрахунок залишкового ресурсу елементів проточної части гідротурбін ГЕС та ГАЕС. Методичні вказівки» СОУ-Н МЕВ 40.1 -21677681-51:2011. Вперше в тривимірній постановці враховано вплив приєднаних мас води конструкції із застосуванням математичних моделей, що грунтуються на гіперсингулярних рівняннях і поєднанні методів скінченних та граничних елементів. Отримано чисельні результати, що дозволяють оцінити з урахуванням впливу води динамічний напружено-деформований стан литої чавунної кришки гідротурбіни ПЛ 20 В-500, а також розробленої для її заміни конструкції сталевої зварної кришки. Виконано аналіз чисельного дослідження та надано рекомендації для проектування зварної кришки, динамічні характеристики якої дозволяють виключити резонансні явища та забезпечити експлуатаційну надійність

One of the problems faced by a designer in the modernization of operating generating units is the analysis of the feasibility of ensuring the strength and reliability of turbine parts and components in their further continuous operation under dynamic load or replacement of the turbine parts and components which would by optimal in terms of weight and dynamic behavior. It is possible to solve the above problem using computer technologies for dynamic study of load bearing structures of hydraulic turbines in various operating modes. This paper describes techniques developed to study the dynamic mode of deformation of hydraulic turbine head cover taking up the hydrodynamic pressure acting on its surface in contact with water and the weights of parts and components located on its surface. For the first time, the influence of added water masses of the structure is three-dimensionally considered using mathematical models based on hypersingular equations and combination of the finite element method and boundary element method. Application program packages are developed which are a powerful tool of automation in the determination of dynamic mode of deformation of the hydraulic turbine head cover. Numerical results are obtained allowing the evaluation of the dynamic mode of deformation taking into consideration the effect of water on the cast iron head cover of hydraulic turbine ПЛ 20-В-500 inoperation and subject to replacement as well as that on the welded steel head cover developed to replace the cast iron one. The numerical study is analyzed and recommendations are given for designing of the welded head cover which dynamical behavior allows preventing resonance phenomena and ensuring the operating reliability. The techniques used are validated by the regulatory document «Residual life prediction for water passage components of hydraulic turbines of HPPs and PSPs – Methodical Guidelines» SOU-N MEV 40.1–21677681–51: 2011.