汽輪發電機聯軸器有限元分析計算
科技專論
作者：劉繼慧
【摘要】針對某汽輪發電機聯軸器，采用過盈和周向均布圓錐鍵的聯結結構，使之和軸共同旋轉以傳遞扭矩。采用有限元分析軟件ANSYS，采用Solid單元離散聯軸器的結構，建立聯軸器有限元仿真分析的實體模型，對模型施加適當的邊界條件，分析計算得出聯軸器與軸配合的緊量，聯軸器、軸和圓鍵的最大綜合應力，並對聯軸器、軸和圓鍵進行強度考核，為聯軸器的設計提供依據。
【關鍵詞】汽輪發電機；聯軸器；緊量；強度
1、引言
聯軸器是機械傳動中一種常用軸係部件，在發電機運行中起著傳遞運動和扭矩的作用，如果在聯軸器和軸上有溝槽，並且聯軸器和軸是緊配合，聯軸器和軸上這些幾何形狀不連續和緊配合所產生的接觸應力，在聯軸器和軸上引起較名義應力大得多的局部應力，因此必須對聯軸器和軸進行強度校核。某汽輪發電機聯軸器結構采用過盈和周向均布圓錐鍵的聯結型式，根據非線性接觸理論，采用有限元分析方法，對聯軸器在扭矩作用下，根據聯軸器運行工況對其進行靜強度分析。最後計算得出聯軸器與軸配合的緊量值，聯軸器、聯軸器、軸和圓鍵的應力分布情況，同時進行強度考核，結果證明聯軸器的設計符合強度要求。
2、機組主要設計參數
額定轉速 3000轉/分
額定扭矩 5.7E8N.mm
最大兩相短路扭矩 3.9E9N.mm
軸材料屈服極限 σs1=750MPa
聯軸器材料屈服極限 σS2=1000MPa
圓鍵材料屈服極限 σS3=1000MPa
3、聯軸器與軸配合緊量計算
設聯軸器和軸的分離轉速為nf=4800轉/分。
在分離轉速下，軸和聯軸器的徑向的變形分布，聯軸器與軸配合處的半徑方向變形範圍為0.114mm～0.272mm。軸與聯軸器配合處的半徑方向變形範圍為0.139mm～0.157mm。考慮到加工誤差和應力的影響，軸和聯軸器半徑方向上配合緊量範圍為0.15mm～0.23mm。
4、有限元分析計算
聯軸器結構和載荷具有載荷周期對稱的特點，取聯軸器結構的1/n建立有限元模型。聯軸器、圓鍵和軸采用接觸方式，在1/n之一邊界處施加周期對稱約束。在聯軸器的法蘭外圈上加扭矩，並對整個模型施加3000轉/分的轉速。聯軸器的強度計算考核額定運行和兩相短路兩種工況
4.1額定工況有限元分析結果
額定工況下計算結果，聯軸器最大綜合應力為503MPa，軸最大剪應力為33MPa，應力分布；圓鍵最大剪應力為29MPa，應力分布。
4.2兩相短路工況有限元分析結果
兩相短路工況下計算結果，聯軸器最大綜合應力為758MPa，軸最大剪應力為351MPa；圓鍵最大剪應力為87MPa。
5、結論
1）在分離轉速4800轉/分下，軸和聯軸器直徑方向配合緊量範圍為0.3mm～0.46mm。
2）在軸和聯軸器直徑配合緊量為0.46mm時，軸、圓鍵和聯軸器各工況下的應力和安全係數見下表5-1。
綜上所述，額定工況，聯軸器、軸和圓鍵的安全係數均大於許用安全係數1.5，滿足強度要求；兩相短路工況，聯軸器、軸和圓鍵的安全係數均大於許用安全係數1.0，滿足強度要求。
作者簡介
劉繼慧（1979-），2008年畢業於哈爾濱工程大學材料學專業，現於哈爾濱電機廠有限責任公司產品設計部從事大型發電機組結構設計和強度、振動分析工作，工程師。