Информационный портал  "TRANSFORMаторы"

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ БАКОВ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Абрамов B.C., начальник бюро металлоконструкций ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД»


 

 

В настоящее время наблюдается увеличение спроса на мощные силовые трансформаторы, и существует большое количество предприятий в России и за рубежом, производящих данную продукцию. Поэтому перед ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» стоит задача снизить себестоимость трансформаторов и ускорить сроки их изготовления, одновременно улучшая качество продукции.

Одним из основных элементов трансформатора является бак, внутрь которого помещается активная часть. Важный аспект работоспособности трансформатора — прочность механической конструкции его бака. Бак должен выдерживать избыточное давление 50 кПа и вакуум с остаточным давлением 50 кПа, а для трансформаторов класса напряжения >150кВ — вакуум с остаточным давлением не более 5 кПа. Также бак должен выдерживать механические нагрузки при подъеме в процессе производства и монтажа на месте установки, инерционные воздействия выемной части трансформатора при транспортировке [ 1 ]. По специальным требованиям бак и все навесные элементы должны выдерживать ветровые и сейсмические нагрузки.

Наряду со сказанным, для поддержания конкурентоспособности бак мощного масляного силового трансформатора нового поколения должен иметь минимальную массу и подобающий внешний вид. При больших размерах трансформатора конструирование бака, отвечающего всем этим требованиям, представляет сложную техническую задачу [2]. Поэтому в процессе разработки конструкции бака трансформатора необходимо проведение многовариантного расчета с целью ее оптимизации.

До определенного времени расчеты механической прочности конструкции баков проводились без использования вычислительной техники, по формулам сопротивления материалов. Данные расчеты не могли дать полной картины напряженно-деформированного состояния всего бака, а для полного расчета бака трансформатора методом конечных элементов требуется решение системы дифференциальных уравнений с несколькими тысячами неизвестных. Здесь и возникла необходимость применения расчетной программы, которая могла бы это обеспечить.

Специалистами бюро металлоконструкции ОАО «ЭЛЕКТРОЗАВОД» была проведена работа по поиску подходящей программы, основанной на методе конечных элементов. Наиболее подходящей для проведения расчетов оказалась программа ANSYS, которая в настоящее время является одной из самых развитых расчетных программ высокого уровня.

В 2000 г. Главным конструктором проекта Саковым A.M. совместно с Абрамовым B.C. был разработан алгоритм расчета прочности механической конструкции бака трансформатора. В упрощенном виде этот алгоритм выглядит следующим образом.

  1. После получения всех исходных данных проводится предварительный оценочный расчет прочности стенок бака, его балок и сварных швов при воздействии вакуума по формулам сопротивления материалов в программе Mathcad [3]. По результатам этого расчета определяется максимальное расстояние между балками, минимальное сечение балки и минимальные катеты сварных швов.
  2. По уточненным данным строится трехмерная оболочковая расчетная модель анализируемого бака в программе ANSYS.
  3. Задаются условия закрепления модели и воздействующие на нее факторы.
  4. Различным поверхностям модели присваиваются толщины материала, прочностные и массово-инерционные характеристики.
  5. Расчетная модель разбивается на конечные элементы (рис. 1).
  6. Рис. 1. Разбиение модели на конечные элементы

  7. Далее проводится расчет на избыточное давление, вакуум или подъем трансформатора. Расчет проводится в два этапа. На первом этапе считается, что весь материал работает только в упругой стадии. В результате расчетов получаются концентраторы напряжений в отдельных точках, которые превышают предел текучести материала, но не влияют на общую прочность конструкции бака. На втором этапе расчеты проводятся с учетом реальной работы материала: с учетом пластического течения при превышении напряжений величины предела текучести и с учетом больших деформаций. Для оценки напряженного состояния бака используются результаты расчетов по среднему, верхнему и нижнему слоям листов элементов бака.
  8. Просматриваются результаты расчетов в трехмерной цвето-цифровой и анимационной форме отображения (рис. 2-5).

Рис. 2. Прогибы на баке при полном вакууме, мм

Рис. 3. Механические напряжения на баке при полном вакууме, кг/мм2

   
   

Рис. 4. Прогибы на баке при подъеме трансформатора с полной массой, мм

Рис. 5. Механические напряжения на баке при подъеме трансформатора с полной массой, кг/мм2

Наиболее полную картину напряженно-деформированного состояния дают

  1. Суммарные перемещения Usum = где U x , U y , U z — перемещения по направлениям общей системы координат XYZ.
  2. Приведенные напряжения по Мизесу, где учитывается весь тензор напряжений, полученная приведенная величина напряжений сравнивается с пределом текучести материала или с допускаемым напряжением.

Критерий Мизеса — это четвертая теория прочности (энергетическая теория):

где S EQV — эквивалентное напряжение; S x — нормальное напряжение по оси X; S y — нормальное напряжение по оси Y; S z — нормальное напряжение по оси Z; S xy — касательное напряжение по оси Y; S yz — касательное напряжение по оси Z; S zx — касательное напряжение по оси X.

Для плоского напряженного состояния формула Мизеса имеет вид

  1. Проводится анализ суммарных перемещений и эквивалентных механических напряжений элементов конструкции расчетной модели по критериям допустимости общетехнических норм сопротивления материалов [3], [Л], [5]. В случае несоответствия нормам пределов прогибов (перемещений) и допустимых напряжений производится оптимизация конструкции и возврат к п. 2.

Список литературы

  1. ГОСТ 11677 - 85. Трансформаторы силовые, Общие технические условия.
  2. Сапожников А. В., Конструирование трансформаторов. - М. -Л.: Госэнергоиздат, 1959.
  3. Тимошенко С. П. и Войновский - Кригер С., Пластинки и оболочкки. - М.: Физматгиз, 1963.
  4. Анурьев В. И., Справочник конструктора машиностроителя, т.1. - М.: Машиностроение, 1979.
  5. Немец Я., Расчет прочности сосудов, работающих под давлением. - М.: Машиностроение, 1964.
 

 

  Полное содержание материала Вы можете найти в первоисточнике
Источник:  ©  Электро
Материал размещен на www.transform.ru20.03.2006 г.
 

 

Перейти в форум для обсуждения

  ©  TRANSFORMаторы 2004—2010


Рейтинг@Mail.ru Яндекс.Метрика ??????????? ????