劉思靚,張續鐘,陳 璨,馬建峰
(浙江富春江水電設備有限公司,杭州 310013)
聯軸螺栓主要用于連接水輪機主軸與發電機主軸,以及水輪機主軸與轉輪,是水輪發電機機組關鍵螺栓之一。隨著水輪發電機技術的發展壯大,設計的機組的容量和尺寸已經遠遠超過以往業績,聯軸螺栓的尺寸也隨之變大,受力情況也愈加惡劣,國內外水輪發電機組聯軸螺栓斷裂事故頻發。
例如:2005年月12月,雙嶺水電站1號機轉輪與大軸聯接的18只聯軸螺栓M80×4斷裂14個。經初步檢查,18只聯軸螺栓12只已掉下,2只已斷裂但未掉下,上部3只,下部1只還聯接在軸法蘭上。螺栓斷裂位置不一,已發現7只螺栓斷成3截,還有部分螺母破碎。詳見圖1所示現場照片。
鑒于螺栓事故頻發,在聯軸螺栓的設計上,迫切需要結合VDI2230標準,優化改進現行的聯軸螺栓伸長量和預緊力計算方法,考慮更多的設計要素,達到更精確的計算精度,在運行條件復雜和設計容量較大的機組上,聯軸螺栓有足夠的預緊力和足夠的安全設計余量。
圖1 雙嶺電站斷裂螺栓圖
圖2電機側聯軸螺栓示意圖
以往簡易聯軸螺栓設計主要參考常規的設計經驗:計算出在安裝所需的預緊量下螺栓本身的應力,再根據簡單的胡克定律,得出螺栓伸長量[1-3]。
以某混流式機組為例,簡述現行設計計算方法。該機組發電機側聯軸共有12個M72×4的螺栓,安裝時螺栓伸長量計算如下。聯軸螺栓示意圖見圖2。
螺栓材料屈服強度:σs=490 MPa
螺栓材料彈性模量:E=206 000 MPa
螺栓公稱直徑:d=72 mm
螺栓小徑:d1=67.67 mm
螺紋中徑:d2=69.4 mm
螺栓螺距:P=4 mm
螺栓光桿直徑:de=67 mm
光桿配合段直徑:do=75 mm
螺紋段長度:Ls1+Ls2=105 mm
螺栓光桿段長度:L1+L3=130 mm
光桿配合段長度:L2=80 mm
螺母外徑:D1=118 mm
螺栓孔徑:d=75 mm
螺栓有效面積:As=3 656.2 mm2
螺栓光桿段面積:Ae=3 525.65 mm2
光桿配合段面積:Ao=4 417.86 mm2
螺栓的設計預緊:P0=1 100 kN
螺栓剛度:Ks=E/[(L1+L3)/Ae+L2/Ao+(Ls1+
Ls2)/As]=2.5×109N/m
螺栓伸長值: ΔL=P0/Ks=0.44 mm
以往所用的聯軸螺栓設計方法對螺栓螺紋、螺母螺紋的變形計算過于簡化,對夾緊體的變形因素的描述不夠詳細。因此,本文以VDI2230(2003版)增補現有的螺栓伸長量計算方法。改進后計算方法考慮螺栓剛度和夾緊體剛度的相互影響[4-5]。
其中螺栓剛度,按有效擰入螺紋、未擰入螺紋和光桿段等分段考慮,如圖3所示。
圖3 螺栓分段計算剛度示意圖
夾緊體剛度的計算如下:
若嚴格按照VDI的要求計算夾緊體剛度,需要將夾緊體等效成圓錐體和圓形套筒[4],計算等效十分復雜。因此,將夾緊體簡化為圓形套筒,該簡化簡單準確,可以確保其剛度與未簡化前完全一致。如圖4,左邊是未簡化的夾緊體等效模型,右邊為簡化為圓形套筒的夾緊體。
圖4 夾緊體剛度等效示意圖
簡化后的圓形套筒的截面積計算:
得出等效截面積后,便計算夾緊體的剛度。
使用改進后的方法重新計算相同機組聯軸螺栓的伸長量。
(1) 首先計算螺栓剛度,螺栓分段計算其剛度如表1所示。
表1 螺栓剛度計算表
(2) 根據上述等效圓形套筒的方式計算夾緊體剛度,得到夾緊體剛度為:
Kp=8×106N/mm
(2)
(3) 根據螺栓和夾緊體等效剛度計算載荷因子:
Φ=nΦk
(3)
式中:n為載荷引入因子,該值與連接類型、載荷形式和夾緊體高度有關;Φk為螺栓剛度在整體連接剛度中的比值。
(4) 在夾緊體剛度影響下的螺栓預緊泄壓前和泄壓后的伸長量計算。
泄壓前:
泄壓后:
2016年12月對上述機組開展水輪、發電機軸聯軸工作,并對水輪、發電軸聯軸螺栓進行液壓拉伸工作[6-7]。拉伸實測記錄整理得到表2。
表2 螺栓聯軸時拉伸實測值
從表2可知,聯軸螺栓泄壓前伸長量平均為0.614 mm,采用改進后的計算方法得到0.615 4 mm,僅相差0.001 4 mm,誤差為0.23%。
聯軸螺栓泄壓后伸長量平均為0.378 mm,采用改進后的計算方法得到0.404 mm,相差0.026 mm,誤差為6.4%。
采用改進的螺栓設計計算方法,螺栓伸長量現場實測的吻合度較高。
對該機組聯軸螺栓泄壓后進行有限元驗證。建立聯軸法蘭和螺栓的全實體模型[8-9],并根據結構對稱性,選取包含一個完整螺栓的計算模型,如圖5所示。計算時,螺栓上施加預緊力1 100 kN。
經過計算,得到聯軸螺栓變形量約為0.36 mm。計算結果如圖6所示。
圖5 聯軸法蘭螺栓把合計算模型圖
圖6 聯軸螺栓變形量有限元計算結果圖
通過上述分析對比,可知:用VDI標準改進后的螺栓計算方法和現場實測值基本一致,有限元計算的夾緊體和新螺栓基準計算的誤差在工程允許范圍內。2種手段的應用對聯軸螺栓的伸長量和預緊力進行了不同方法的驗證,保證了機組關鍵螺栓設計的可靠性,特別是根據VDI標準改進后的螺栓計算方法,有很好的實用推廣價值。